Uusia kehitysnäkymiä kvanttitietotekniikalle

(7.5.2024) Tutkimuslaitos Rikenin fyysikoiden ja yhteistyökumppaneiden mukaan tulevaisuuden kvanttitietokoneet voisivat perustua nestemäisen heliumin yläpuolella kelluviin elektroneihin.

"Kiinteässä olomuodossa olevissa kiteissä on aina joitain vikoja, mikä tarkoittaa, että emme voi luoda täydellistä ympäristöä elektroneille", sanoo Erika Kawakami. ”Se on ongelmallista, jos haluamme luoda paljon yhtenäisiä kubitteja. Ja siksi on parempi, että kubitit ovat tyhjiössä."

Jo vuonna 1999 tutkijat ehdottivat teoriaa fysikaalisesta järjestelmästä jossa elektronit kelluvat tyhjiössä hieman nestemäisen heliumin pinnan yläpuolella.

Nyt tehdyssä teoreettisessa tutkimuksessa, ryhmä on osoittanut, kuinka kvanttiportit voidaan toteuttaa konkreettisemmin käyttämällä nestemäisen heliumin yläpuolella kelluvia elektroneja.

Heidän ehdotuksensa keskeinen osa on hybridikubitti, joka sisältää pystysuunnassa kvantisoidun varaustilan ja kelluvan elektronin spin-tilan. Elektronin varaustila mahdollistaa sen helpon manipuloinnin kohtalaisilla etäisyyksillä sähkökentän avulla, kun taas spin-tilaa voidaan käyttää informaation vakaaseen tallentamiseen. Elektronin spin- ja varaustilojen välinen vuorovaikutus mahdollistaa informaation siirtämisen elektronin kahden ominaisuuden välillä.

"Olemme ehdottaneet yhden kubitin ja kahden kubitin porttien toteuttamista heliumissa olevien elektronien avulla ja arvioineet niiden tarkkuuden", Kawakami sanoo. ”Olemme myös määrittäneet, kuinka voimme skaalata kubittien määrää. Se on jotain uutta.”

Heidän järjestelmänsä käyttää joukkoa pieniä ferromagneettisia pilareita vangitakseen elektroneja heliumin yläpuolelle. Postimerkin kokoiselle alueelle pitäisi pystyä puristamaan yli 10 miljoonaa kubittia. Tiimi aikoo nyt omaksua haasteen toteuttaakseen ehdotuksensa kokeellisesti.

Kansainvälinen ryhmä, johon kuuluu Würzburgin yliopiston tutkijoita, on puolestaan onnistunut luomaan erityisen suprajohtavuuden tilan, joka voisi edistää kvanttitietokoneiden kehitystä.

Magnetismi häiritsee kuitenkin helposti tavanomaisiasuprajohteita. Tutkijaryhmä on nyt onnistunut luomaan hybridirakenteen, joka koostuu stabiilista, magnetismin tehostamasta lähes suprajohteesta, jonka toimintaa voidaan tietyllä tavalla ohjata.

He yhdistivät suprajohteen topologiseen eristeeseen. "Jännittävä asia tässä on, että voimme varustaa topologiset eristeet magneettisilla atomeilla, jotta niitä voidaan ohjata magneetilla”, selittää professori Charles Gould.

Suprajohteet ja topologiset eristeet yhdistettiin Josephson-liitoksen muodostamiseksi, mikä antaa tutkijoille mahdollisuuden yhdistää suprajohtavuuden ja puolijohteiden ominaisuudet", Gould jatkaa. ”Yhdistämme siis suprajohteen edut topologisen eristeen ohjattavuuden kanssa. Ulkoisen magneettikentän avulla voimme nyt tarkasti ohjata suprajohtavia ominaisuuksia.

Tutkijoiden mukaan tämä on todellinen läpimurto kvanttifysiikassa!

Erikoisyhdistelmä luo eksoottisen tilan, jossa suprajohtavuus ja magnetismi yhdistyvät – normaalisti nämä ovat vastakkaisiailmiöitä, jotka harvoin esiintyvät rinnakkain. Uusi "ohjaustoiminnolla varustettu suprajohde" voisi olla tärkeä käytännön sovelluksissa, kuten kvanttitietokoneiden kehittämisessä arvioivat tutkijat.

Aiheista aiemmin:

Eeroq ja 2000 kubitin prosessori

Topologinen suprajohtavuus ilman suprajohteita