Neutraaliatomien matriisit, metapinnat ja kvanttikapasitanssi

Jotta kvanttitietokoneet päihittäisivät klassiset vastineensa, ne tarvitsevat enemmän kubitteja. Huippuluokan kvanttitietokoneissa on noin 1 000 kubittia. Columbian fyysikot Sebastian Will ja Nanfang Yu ovat asettaneet tähtäimensä paljon korkeammalle.

"Luomme kriittistä pohjatyötä yli 100 000 kubitin kvanttitietokoneiden mahdollistamiseksi", Will sanoi.

Tutkimusjulkaisussaan Will, Yu ja heidän kollegansa yhdistävät kaksi tehokasta teknologiaa – optiset pinsetit ja metapinnat – skaalatakseen neutraalien atomien matriisien kokoa dramaattisesti.

Neutraalien atomien matriisit ovat nopeasti kehittyvä alusta kvanttitietokoneiden luomiseen. Nyt tutkijatiimi onnistui vangitsemaan 1 000 strontiumatomia ja osoitti, että heidän lähestymistapansa voi skaalautua reilusti yli 100 000:een.

Tutkijoiden mukaa työssä käytettyjä metapintoja voidaan pitää kymmenien tuhansien tasaisten linssien superpositiona samassa tasossa ja niiden polttopisteen sijainnin suhteen erilaisina niin että lasersäteen osuessa yksi metapinta voi samanaikaisesti tuottaa kymmeniä tuhansia polttopisteitä ja siten toteuttaa massiivisesti skaalautuvia optisia pinsettien matriiseja.

Yksi kiehtova menetelmä, jota voitaisiin käyttää kvanttitietokoneiden tarvitsemien kubittien muodostamiseen, on nestemäisen heliumin yläpuolella leijuvat elektronit. Mutta ei ollut selvää, miten tällaisessa muodossa olevaa dataa voidaan lukea helposti – nyt RIKEN-tutkijat ovat saattaneet löytää ratkaisun.

”Heliumin yläpuolella tyhjiössä kelluvalle elektronille lähellä ovat vain heliumiatomit, jotka ovat erittäin inerttejä”, selittää Asher Jennings RIKENin kvanttilaskennan keskuksesta (RQC). ”Tämä tarkoittaa, että elektroni on erittäin hyvin suojattu, mikä tekee siitä erinomaisen järjestelmän kvantti-informaation tallentamiseen.”

Mutta jotta tällaisia kubitteja voitaisiin käyttää kvanttitietokoneissa, niiden tallentaman datan on oltava luettavissa. Elektronin pieni magneettinen momentti heliumin yläpuolella tekee sen spinin suoran lukemisen mahdottomaksi. Siksi tutkijat tutkivat epäsuoria menetelmiä elektronin spinin lukemiseksi.

Lupaava tapa tehdä se on havaita elektronin siirtyminen sen alimmasta energiatilasta korkeampaan, joka tunnetaan Rydbergin tilana. Nyt tutkijat ovat osoittaneet, että yksittäisen elektronin Rydberg-siirtymän havaitseminen pitäisi olla mahdollista mittaamalla kapasitanssin muutos.

Tutkijoilla oli 10 miljoonaa elektronia kellumassa nestemäisen heliumin yläpuolella, jolloin syntyi kondensaattorina toimiva järjestelmä, josta pystyi havaitsemaan kvanttikapasitanssin muutoksen, kun elektronit siirtyivät Rydbergin tilaan mikroaaltojen taajuuden muutosten kautta.

Vaikka järjestelmää on skaalattava 10 000-kertaiseksi, se osoittaa, että tällaisen pienemmän laitteen pitäisi pystyä havaitsemaan signaali yhdestä kubitista.

Aiheista aiemmin:

Merkittävä kvanttilaskennan esteen poistaminen

Tutkijat tekevät harppauksen kvanttilaskentaan

Uusia kehitysnäkymiä kvanttitietotekniikalle