Timantin vikakohdasta kvanttimuisti

Kvantti-internetti lupaa täysin turvallisen viestinnän. Mutta kvanttibittien eli kubittien käyttö informaation siirtämiseen edellyttää radikaalisti uutta tekniikkaa - kvanttimuistia. Tällainen atomien kokoluokan laite tarvitaan tallentamaan kvantti-informaatio ja muuntamaan se valoksi lähetettäväksi verkon yli.

Vaikein haaste tälle visiolle on se, että kubitit ovat erittäin herkkiä ympäristölleen. Jopa viereisten atomien värähtelyt voivat häiritä niiden kykyä muistaa informaationsa. Toistaiseksi tutkijat ovat tukeutuneet erittäin alhaisiin lämpötiloihin vaientaakseen värinät, mutta suurissa kvanttiverkoissa tällaisten kylmyyksien saavuttaminen on kohtuuttoman kallista.

Nyt Harvard John A. Paulsonin teknillisen korkeakoulun (SEAS) ja Cambridgen yliopiston tutkijat ovat kehittäneet kvanttimuistiratkaisun, joka on yhtä yksinkertainen kuin kitaran virittäminen.

Tutkijat suunnittelivat timanttirakenteita, jotka voivat vaimentaa kubitin ympäristöä ja parantaa muistia kymmenistä useisiin satoihin nanosekunteihin, mikä on riittävä aika tehdä monia toimintoja kvanttipiirissä.

Timanttien epäpuhtaudet ovat nousseet lupaaviksi solmuiksi kvanttiverkostoille. Eräs tyyppi, jota kutsutaan piivakanssien värikeskuksiksi, ovat vahvoja kubitteja. Värikeskuksen loukussa oleva elektroni toimii muistibittinä ja voi emittoida yksittäisiä punaisen valon fotoneja, jotka vuorostaan toimisivat kvanttiyhteyksien pitkän matkan informaation kantajina. Mutta kun lähiatomit timanttikiteessä värähtelevät satunnaisesti elektroni unohtaa nopeasti kvantti-informaationsa.

Muistin parantamiseksi tällaisessa ympäristössä tutkijat muokkasivat värikeskuksen sisältävän timanttikiteen ohueksi ja noin yhden mikronin leveäksi nauhaksi ja palkiksi elektrodeineen. Jännitteen avulla timanttipalkki taipuu ja venyy ja siten kasvattaa värähtelytaajuutta, jolle elektroni on herkkä.

"Luomalla jännitystä nauhaan kasvatamme värähtelyjen energiaskaalaa, jolle elektroni on herkkä, joten se voi tuntea vain hyvin suuria energiavärähtelyjä", toteaa jatko-opiskelija Shurun Meesala. "Tämä prosessi muuntaa ympäröivän värähtelyn kiteessä epäolennaiseksi taustakohinaksi, jolloin vakanssissa oleva elektroni pystyy pitämään informaatiota satoja nanosekunteja, mikä voi olla todella pitkä aika kvanttitasolla."

Seuraavaksi tutkijat toivovat voivansa laajentavan kubitin muistia millisekunneiksi, mikä mahdollistaisi satoja tuhansia operaatioita ja pitkän matkan kvanttiviestintää.