Kolmoiskvanttipisteisten kubittien hallinta sinkkioksidissa

Kvanttitietokoneilla on potentiaalia ratkaista tiettyjä laskutoimituksia eksponentiaalisesti nopeammin kuin klassisella tietokoneella, mutta niiden käytännön hyödyntäminen vaatii kipeästi lisää tutkimusta.

Kvanttitietokoneiden toiminta vaatii suuren määrän kubitteja. Kvanttipisteiden – ainutlaatuisten ominaisuuksien ansiosta kubitteina toimivien nanorakenteiden – tutkimus on ratkaisevan tärkeää tämän esteen voittamiseksi.

Tohokun yliopiston Advanced Institute for Materials Researchin (WPI-AIMR) tutkijat ovat ottaneet merkittävän askeleen kohti seuraavan sukupolven kvantti-informaation käsittelyteknologioiden toteuttamista.

Tässä tutkimuksessa tutkimusryhmä loi onnistuneesti sähköisesti ohjattuja kolmoiskvanttipisteitä sinkkioksidiin (ZnO), joka on oksidipuolijohde, joka tunnetaan hyvästä spin-koherenssista ja vahvoista elektronikorrelaatioistaan.

Vaikka yksittäisiä ja kaksoiskvanttipisteitä ZnO:ssa on aiemmin osoitettu, skaalaus useiksi, ohjattaviksi pisteiksi on tähän asti ollut suuri haaste.

Yhdistämällä useita kvanttipisteitä tutkijat voivat tutkia monimutkaisia kvanttikäyttäytymisiä ja kehittää potentiaalisia arkkitehtuureja kvanttilaskentaa varten.

Tiimi havaitsi myös ainutlaatuisen ilmiön, joka tunnetaan kvanttisoluautomaattiefektinä (QCA), ja joka ilmenee vain järjestelmissä, jotka koostuvat kolmesta tai useammasta kytketystä kvanttipisteestä.

Apulaisprofessori Tomohiro Otsukan johtama tutkimusryhmä valmisti ZnO-heterorakenteen, joka kykenee muodostamaan kolme kytkettyä kvanttipistettä tarkan sähkökentän ohjauksen avulla. He vahvistivat, että jokainen kvanttipiste saavutti muutaman elektronin tilan, mikä on ratkaiseva edellytys kvanttibittien soveltamiselle.

Lisäksi analysoimalla elektronin kuljetusominaisuuksia tutkijat havaitsivat QCA-ilmiön, jossa yhden kvanttipisteen varauskonfiguraatio vaikuttaa viereisiin pisteisiin sähköstaattisen kytkennän kautta ja indusoi kahden elektronin samanaikaisen liikkeen – keskeinen mekanismi, jota on suunniteltu pienen tehonkäytön kvanttilogiikan operaatioille.

"Tämä tutkimus osoittaa, että ZnO voi isännöidä useita, hyvin hallittuja kvanttipisteitä, joissa tapahtuu monimutkaisia kvanttivuorovaikutuksia", Otsuka sanoi. "Seuraava askeleemme on tutkia koherenttia kvanttiohjausta ja kubittioperaatioita näissä oksidijärjestelmissä."

Tämä tutkimus avaa uuden polun käyttämällä ZnO:ta kvanttibittien luomiseen ja ohjaamiseen. Se on myös tärkeä askel kohti vakaiden ja skaalautuvien kvanttijärjestelmien rakentamisen suurimpia haasteita.

Tämä löytö ei ainoastaan laajenna kvanttilaskennassa käytettävissä olevien materiaalien valikoimaa, vaan myös vie meidät lähemmäksi käytännöllisiä ja energiatehokkaita kvanttilaitteita tulevaisuudessa.

Aiheesta aiemmin:

Pitkään kestäviä grafeenin laaksotiloja kubiteille

Erikoismuotoiltuja kvanttipisteitä

Piirakenne avaa portin kvanttitietokoneille