Kubitteja keinoatomeista

STM-mikroskoopilla toteutettu kuva kytkettyjen kvanttipisteiden järjestelmästä osoittaa, että elektronit kiertävät kahdessa samankeskisessä toisistaan erotettuina renkaina. 

National Institute of Standards and Technologyn (NIST) tutkijat ja heidän kollegansa ovat luoneet ja kuvanneet ensimmäistä kertaa uudenlaisen kvanttipisteparin - pienet rajatun sähkövarauksen saaret, jotka toimivat kuin vuorovaikutuksessa olevat keinotekoiset atomit.

Tällaiset "kytketyt" kvanttipisteet voisivat toimia vakaana kubittina eli kvanttitietokoneen informaatioyksikön perustana.

Yksittäisen kvanttipisteen elektronit kiertävät sen keskipistettä samalla tavalla kuin elektronit kiertävät atomeja omilla sallituilla kiertoradoillaan. Siten kvanttipisteiden pari voi jakaa elektronin keskenään, muodostaen kubitin.

NIST:n johtama kansainvälinen tutkijaryhmä tuotti kvanttipisteitä pyyhkäisytunnelimikroskoopin (STM) kärjen avulla luoden grafeenin ja boorinitridin kerrokseen sähkövarausten pinon. Se koostui grafeenissa vapaasti kelluvista elektroneista, rajoittuneena pieneen energiakaivoon. Kun siihen kohdistettiin 4 - 8 teslan magneettikenttä, se muutti dramaattisesti elektronien käyttämien kiertoratojen muotoa ja jakautumista.

Yhden kvanttipistekaivon sijasta, elektronit sijaitsivat nyt kahdessa samankeskisten, tiiviisti toisiinsa sijoitettujen renkaiden sarjassa alkuperäisessä kaivossa, erotettuna tyhjällä kuorella. Kaksi elektronien rengasryhmää käyttäytyi nyt kuin heikosti kytketyt kvanttipisteet.

Tapaa, jolla elektronit jakautuvat kahden kytketyn pisteen välillä, ei voida selittää kvanttipistefysiikan hyväksytyillä malleilla, Walkup sanoi. Tämä palapeli voi olla tärkeä ratkaisu, jos kytkettyjä kvanttipisteitä käytetään lopulta kubitteina kvanttilaskennassa, kommentoi NIST:n Joseph Stroscio.

UNSW Sydneyn kvantti-insinöörit ovat puolestaan luoneet piisiruihin keinotekoisia atomeja, jotka tarjoavat parannetun vakauden kvanttilaskentaan.

UNSW:n tutkijat tekivät aiheesta alkeellisen version jo vuonna 2013. Mutta nyt saavutettiin rakenne, jossa on suurempi määrä elektroneja ja se osoittautui huomattavasti vankemmiksi kubiteiksi kuin aiemmin ajateltiin.

Lisäksi heidän keinotekoisien atomien kvanttipiireillä on hyvin organisoituneet ja ennustettavat elektronien kuoret, aivan kuten jaksollisen taulukon luonnollisilla atomeilla.

Tutkijoiden rakenteessa, positiivisen ytimen sijaan on positiivinen varaus, joka syntyy porttielektrodista, joka erotetaan piistä piioksidieristeellä. Pallomaisesta atomista poiketen elektronit järjestyvät tasaisiksi kiekoiksi.

"Uusi työmme osoittaa, että voimme hallita elektronien spiniä näiden keinotekoisten atomien ulkokuorissa, mikä antaa meille luotettavan ja vakaan kubitin," toteaa Professori Dzurak yliopistonsa tiedotteessa.

Jatkamalla tätä viimeisintä läpimurtoa ryhmä tutkii, kuinka kemiallisten sidosten sääntöjä soveltaen näillä uusilla keinotekoisilla atomeilla luotaisiin keinotekoisia molekyylejä. Niistä voitaisiin luoda usean kubitin logiikkaportteja, joita tarvitaan suuriskaalaisen piihin perustuvan kvanttitietokoneen toteuttamiseksi.

Aiheesta aiemmin:

Piin kvanttibiteillä uusiin ulottuvuuksiin

Elektronin geometria määritelty