Naukowcy z Princeton ogłaszają przełom w technologii, która pozwoli budować komputery kwantowe

Zespół Jasona Petty wykorzystał strumień fotonów mikrofalowych do przeanalizowania pary elektronów uwięzionych w małej klatce nazywanej kropką kwantową. Spin elektronów stanowi kubit, czyli podstawową jednostkę informacji. Mikrofalowy strumień pozwala na ich odczyt.

Jason Petta, Princeton University - fot. Brian Wilson

- Tworzymy wnękę z lustrami na obu końcach, ale nie odbijają one światła widzialnego lecz promieniowanie mikrofalowe - mówił Petta. - Wysyłamy mikrofale na jeden koniec i obserwujemy ich przejście na drugi. Mikrofale zmieniane są przez spin uwięzionych elektronów, a my możemy te zmiany odczytać.

Od lat zespoły naukowców starają się wykorzystać ideę mechaniki kwantowej dla zbudowania maszyny, która zrewolucjonizuje metody obliczeniowe. Celem nie jest otrzymanie szybszego i wydajniejszego komputera, lecz urządzenia podchodzącego do problemu obliczeń w sposób zupełnie inny.

Standardowe komputery przechowują informację jako klasyczne bity, które mogą przyjmować wartości "0" lub "1". Moc komputera kwantowego bierze się z zasad mechaniki kwantowej, które opisują świat cząstek subatomowych. Mechanika kwantowa mówi, że elektron może mieć spin w jednym kierunku, co oznacza 1, lub w innym kierunku, czyli 0. Ale może być również coś, co nazywa się "superpozycją" i reprezentuje wszystkie stany pomiędzy 1 i 0.

Jeśli naukowcy i inżynierowie będą mogli zbudować działającą maszynę, która wykorzysta to zjawisko, otworzy to zupełnie nowe obszary dostępne dla obliczeń. Pozwoli rozwiązywać problemy, przy pracy nad którymi nie pomogą współczesne komputery. Dostępne będą zadania, takie jak przewidywanie ruchu cząsteczek czy łamanie kodów.

Wyzwaniem dla naukowców jest to, że spiny elektronów lub innych cząstek kwantowych są niezwykle delikatne. Wszelkie wpływy zewnętrzne destabilizują spiny i wprowadzają błędy. Przez lata naukowcy opracowali techniki obserwowania stanów spinów bez oddziaływania na nie. Tegoroczną Nagrodą Nobla w dziedzinie fizyki uhonorowano dwóch naukowców, którzy jako pierwsi dokonali bezpośredniej obserwacji kwantowych cząstek. Ale analiza małej liczby spinów nie wystarczy - rzeczywisty procesor kwantowy potrzebuje milionów.

Badania zespołu z Princeton

Elementy mogące być podstawą komputerów kwantowych są chłodzone w specjalnym urządzeniu do temperatury bliskiej zera absolutnego - fot. Brian Wilson

W swoich pracach zespół Petty połączył techniki z dwóch dziedzin nauki. Z inżynierii materiałowej wykorzystano strukturę kropki kwantowej do utrzymywania i analizy spinów elektronów a z optyki zaadaptowano kanał mikrofalowy do przekazywania z kropki kwantowej informacji o spinie.

W celu wykonania kropek kwantowych badacze wyizolowali parę elektronów w niewielkiej części materiału nazywanej "nanoprzewodem półprzewodnikowym". Zasadniczo oznacza to przewód, który jest tak cienki, że może pomieścić elektrony, jak bańki sodowe w słomce. Następnie naukowcy utworzyli wzdłuż przewodu małe "klatki".  Są one ustawione tak, że elektrony będą się umiejscawiać w konkretnej klatce w zależności od ich poziomu energii.

Jak odczytuje się stan spinu? Elektrony o podobnym spinie odpychają się, natomiast te z różnym - przyciągają. Badacze manipulują więc elektronami, doprowadzając do pewnego poziomu energii, a następnie odczytują ich pozycję. Jeśli są w tej samej klatce - spiny są różne, jeżeli znajdują się w różnych klatkach - mają ten sam spin. Drugim krokiem jest wprowadzenie kropki kwantowej do wnętrza kanału mikrofalowego. Pozwala to na przekazanie informacji o spinie pary - powstaje kubit.

Jason Petta powiedział, że następnym etapem jest zwiększenie niezawodności instalacji dla jednej pary elektronów. Następnie zespół planuje dodać więcej kropek kwantowych i stworzyć więcej kubitów. Członkowie zespołu są ostrożnie optymistyczni. Wydaje się, że obecnie nie ma problemów nie do pokonania, ale jak w każdym systemie rosnąca złożoność może doprowadzić do nieprzewidzianych trudności.

- Metody, których tutaj używamy, są skalowalne i chcielibyśmy wykorzystać je w większym systemie. Ale do wykorzystania skalowania musi to pracować nieco lepiej. Pierwszym krokiem jest wykonanie lepszych zwierciadeł dla komory mikrofalowej - mówił Jason Petta.

źródło: Uniwersytet w Princeton - princeton.edu