Kvanttipalapelin puuttuvia paloja20.08.2021
Piitekniikan ja kvanttijärjestelmien parhaiden puolten yhdistäminen ja mahdollisuus hallita miljoonia kubitteja avaavat tietä tulevalle kvanttitietotekniikalle Vuosikymmeniä vanha ongelma siitä, kuinka miljoonia kubitteja voitaisiin hallita luotettavasti piiperustaisen kvanttitietokoneen sirussa, on nyt UNSW Sydneyn yliopiston kvantti-insinöörien mielestä nyt ratkaistu. Tohtori Jarryd Planin tutkimusryhmä on kehittänyt tavan hallita, ei vain muutamia, vaan miljoonia kubitteja vaatimatta lisää arvokasta piirialaa, ilman yksittäisen kubittien ohjausjohteita ja vähemmällä energian käytöllä. "Tähän asti elektronien spin-kubittien ohjaus perustuu siihen, että ajamme mikroaaltoisia magneettikenttiä ja siten virtaa kubitin vieressä olevaan johteeseen", tohtori Pla sanoo. Haasteena on, että magneettikentät häviävät todella nopeasti etäisyyden kasvaessa, joten jokainen kubitti vaatisi oman johteensa. Tällainen ratkaisu veisi paitsi piirialaa mutta tuottaisi myös lisää hukkalämpöä, mikä häiritsisi kubittien luotettavuutta. Tutkijatiimi tarkastelikin mahdollisuutta luoda magneettikenttä sirun yläpuolelta, jolloin voisi manipuloida kaikkia kubitteja samanaikaisesti. Aajatuksen esittivät alkuaan kvanttilaskennan tutkijat jo 1990-luvulla, mutta tähän mennessä kukaan ei ollut keksinyt käytännön tapaa tehdä sitä. Dr Pla ryhmineen esittelevät suoraan piisirun yläpuolelle kideprisman, jota kutsutaan dielektriseksi resonaattoriksi. Kun mikroaaltoja ohjataan resonaattoriin se pienentää aallonpituutta alle yhden millimetrin. Tutkijoiden mukaan periaatteessa menetelmällä voisi toimittaa ohjauskenttiä jopa neljään miljoonaan kubittiin. ”Tässä on kaksi keskeistä innovaatiota. Ensimmäinen on se, että meidän ei tarvitse käyttää paljon voimaa saadaksemme vahvan ajokentän kubitille, mikä tarkoittaa ratkaisevasti sitä, että emme tuota paljoakaan lämpöä. Toinen on se, että kenttä on sirulla hyvin yhtenäinen, joten miljoonat kubitit kokevat saman hallinnan,” kertoo Plan. Tutkijat ovat osoittaneet, että globaalia kenttää voidaan käyttää yksittäisten elektronien spinresonanssin vaihtoo kahden kvanttipisteen rakenteessa mutta jatkossa olisi kehitettävä muun muassa se miten toteuttaa kubittien superpositiotiloja. Nagoya City Universityn johdolla toiminut japanilainen tutkijaryhmä on puolestaan havainnut vahvasti lomittuneen protoniparin nanokiteisen piin pinnalla. Professori Matsumoto hahmottelee tutkimuksensa merkityksen: ”Protonien lomittuminen on aiemmin havaittu molekyylivedyssä ja vain kaasu- tai nestefaasissa. Nyt olemme havainneet kvanttien lomittumisen kiinteällä pinnalla, mikä voi luoda perustan tuleville kvanttiteknologioille.” Tutkittuaan piin spintiloja pinnan värähtelyjen luonteen määrittämiseksi ja pinta-atomeja harmonisina oskillaattoreina mallintamalla he osoittivat protonien epäsymmetrian ja sitä kautta vahvan lomittumisen. Protonikubittien yhdistäminen nykyaikaiseen piitekniikkaan voi johtaa klassisen ja kvanttilaskentaympäristön orgaaniseen yhdistämiseen, mikä mahdollistaa paljon suuremman (10 6) määrän kubitteja kuin tällä hetkellä on saatavilla ja erittäin nopean käsittelyn uusille supertietokoneille. Aiheesta aiemmin: Helium ja kvanttitietotekniikka |
Nanotekniikka on tulevaisuuden lupaus. Näillä sivuilla seurataan elektroniikkaa sekä tieto- ja sähkötekniikkaa sivuavia nanoteknisiä tiedeuutisia.