Kubitin ympäristö hallintaan

Uutta perustaa kvanttilaskennalle

Kvanttitietokoneita odotellessa tiede keskittyy tutkimaan erilaisia kvantti-ilmiöitä vähentääkseen monia käytännön esteitä ennen kuin kvanttilaskentaa voidaan toteuttaa. Vähäisin näistä ei ole kubitin - kvantti-informaation tallenne - eristäminen ympäristöstään.

Kubittien olemassaolo on kahden tai useamman mahdollisen tilan superpositio. Ongelmana on, että superpositio on epävakaa tila, joten sen manipulointi ja lukeminen ei onnistu jos kubitti on hallitsemattomassa vuorovaikutuksessa ympäristönsä kanssa.

Cambridgen yliopistossa Cavendish Laboratoryssa ja JQI laitoksessa tutkijat ovat kehittäneet menetelmän, jossa kvanttipisteen ja sen ympäristön kollektiiviset ytimet muodostavat magneettisen "ympäristön" kubittina toimivalla elektronille. Kuvassa oranssi ja musta nuoli.

Yleensä ympäristö nähdään uhkana kubitin kvanttieheydelle mutta tässä työssä sitä on käytetty apuna. Sen ja kahden tarkkaan viritetyn lasersäteen yhdistelmä mahdollistaa kubitin tilan ohjauksen ja jopa lukemisen.

Princetonin yliopiston tutkijat ovat puolestaan havainneet hiukkasen, joka käyttäytyy samaan aikaan kuin materia ja antimateria. Saavutus on paitsi tieteellisesti merkittävä mutta mahdollisesti myös askel kohti kvanttilaskentaa.

Tutkijat onnistuivat jopa kaappaamaan kuvan ns. Majorana Fermionista, joka lillui atomisen ohuen suprajohteisen langan päässä. Vuonna 1937 fyysikko Ettore Majorana ennusti, että yksi, vakaa hiukkanen voi olla itsensä sekä materia ja antimateria.

Yleensä tällaisten yhdistelmien on ajateltu tuhoavan toisensa. Majorana Fermion on kuitenkin yllättävän vakaa. Sen ristiriitaiset ominaisuudet tekevät hiukkasesta neutraalin siten, että se vaikuttaa hyvin heikosti ympäristönsä kanssa.

Tämä jos mikään kannustaa tutkijoita etsimään keinoja muokata Majoranaa materiaaleihin, jotka voisivat tarjota vakaan tavan koodata kvantti-informaatiota, ja luoda yhden uuden perustan kvanttilaskennalle.

Havainto tehtiin varsin yksinkertaisilla laitteistoilla verrattu esimerkiksi Higgsin bosonin löytämiseen korkeaenergisen kiihdyttimen tyhjiössä. Tässä työssä kyseisen hiukkasen olemassaolo ilmenee varsin tavallisissa materiaaleissa. Ilmiö johtuu sitä ympäröivien atomien ja voimien kollektiivisista ominaisuuksista, joten se voisi kenties olla jopa realisoitavissa käytännön tarpeisiin. 

Nyt myös EPFL:n tutkijat ovat havainneet, että strontiumtitanaatin (SrTiO3) pinnalla oleva elektronikaasu on spin-polarisoitunutta, eli sitä voidaan käyttää ohjaamaan elektronien spiniä. Spintroniikan ohella tämä tarkoittaa, että materiaalia voitaisiin käyttää Majorana Fermionin tarkkailuun.

Aiheesta aiemmin:

Eriste ja suprajohtavuus yhdisteenä