Obliczenia z jednego atomu

Dr Andrea Morello (z lewej) i profesor Andrew Dzurak

W przełomowym artykule opublikowanym w czasopiśmie "Nature" zespół opisuje, jak odczytywał i zapisywał informacje za pomocą spinu lub orientacji magnetycznej elektronu orbitującego wokół pojedynczego atomu fosforu osadzonego w kości krzemowej.

- Po raz pierwszy pokazaliśmy możliwość reprezentowania i przetwarzania danych za pomocą spinu, tworząc bit kwantowy (kubit) - podstawową jednostkę danych dla komputerów kwantowych - mówi profesor Andrew Dzurak. - To naprawdę wielki krok w kierunku realizacji krzemowego komputera kwantowego opartego na pojedynczym atomie.

Prof Dzurak wraz z dr. Andreą Morellim prowadzili zespół naukowców z Uniwersytetu w Melbourne i University College w Londynie.

Dr Morello twierdzi, że komputery kwantowe umożliwią rozwiązanie takich problemów, którym nie są w stanie podołać najlepsze superkomputery na świecie - Są to dane intensywnych problemów, takich jak łamanie nowoczesnych kodów szyfrujących, przeszukiwanie baz danych i modelowanie cząsteczek biologicznych i leków.

Oznacza to, że takie komputery będą niezwykle przydatne dla branży finansów i ochrony zdrowia, bezpieczeństwa i organizacji obronnych oraz rządowych. Funkcjonalne komputery kwantowe również otworzą drzwi nowym typom aplikacji i rozwiązań obliczeniowych, które - będąc na tym etapie - trudno sobie wyobrazić lub zrozumieć.

W celu wykorzystania spinu elektronów komputer kwantowy potrzebuje zarówno sposobu ustalenia stanu wirowania (zapis), jak i i pomiaru wyniku (odczyt).

Zespołowi naukowców kierowanych przez inżynierów z UNSW udało się wykonanie obu etapów. Ich nowy wynik jest kontynuacją badań z 2010 roku również opublikowanych w "Nature", w których pokazali możliwość odczytu stanu (kierunku) spinu elektronu. Teraz, wraz z możliwością zapisu stanu wirowania, udało im się zakończyć dwuetapowy proces wymagany do używania kubitu.

Nowy wynik uzyskano poprzez wyjątkową kontrolę nad elektronem z jednego atomu fosforu wszczepionego obok specjalnie zaprojektowanego krzemowego tranzystora. Jest on tak mały, żeby elektrony poruszające się w nim ustawiły się jeden po drugim. Następnie mierząc prąd płynący przez tranzystor, naukowcy są w stanie określić jaki stan wirowania miał elektron. Aby zapisać bit kwantowy, wystarczy, żeby naukowcy manipulowali stanem spinu elektronu, kierując go w dowolnym kierunku, którą wybiorą.

Naukowcy będą teraz łączyć w pary te urządzenia, aby stworzyć dwu-bitową bramę logiczną - podstawą jednostkę przetwarzającą dla komputera kwantowego. Budowa pełnowymiarowego komputera pozostaje trudnym i ambitnym wyzwaniem inżynieryjnym, jednak pierwszy krok został zrealizowany.

Mateusz Woźniak