Maszyna do obliczeń kwantowych atomu fosforu

Pod koniec lat 90. fizyk z Australii przedstawił projekt komputera kwantowego. Bruce Kane zasugerował, że atomy fosforu osadzone w krzemie byłyby idealnym sposobem przechowywania i manipulowania informacją kwantową.

Jego pomysł polegał na tym, że jądro atomu fosforu może przechowywać pojedynczy kubit przez długi czas w sposób, w jaki się obraca. Pole magnetyczne mogłoby z łatwością zająć się tym kubitem przy użyciu dobrze znanych technik spektroskopii magnetycznego rezonansu jądrowego. Umożliwiłoby to manipulacje na pojedynczym kubitach, ale nie na operacje na dwóch kubitach, ponieważ spiny jądrowe nie oddziałują ze sobą znacząco.

W tym celu zasugerował przeniesienie spinu na elektron krążący wokół atomu fosforu, który o wiele łatwiej oddziaływałby z elektronem krążącym wokół pobliskiego atomu fosforu. Operacje na dwóch kubitach byłyby wtedy możliwe dzięki manipulowaniu dwoma elektronami za pomocą pól elektrycznych.

Dużą zaletą komputera kwantowego Kane'a, który ekscytował wielu fizyków w tamtym czasie, było to, że był skalowalny. Ponieważ każdy atom może być adresowany indywidualnie za pomocą standardowych obwodów elektronicznych, łatwo jest zwiększyć rozmiar komputera poprzez dodanie większej liczby atomów i związanych z nimi akcesoriów elektronicznych, a następnie podłączenie go do konwencjonalnego komputera.

Budowa komputera kwantowego Kane'a stała się niemal obsesją w Australii, gdzie około 100 naukowców pracuje nad tym problemem od ponad dekady.

Dokonali przełomów, takich jak możliwość wszczepiania atomów fosforu w precyzyjnych miejscach w krzemie za pomocą skaningowego mikroskopu tunelowego. Byli również w stanie zająć się spinami jądrowymi tych atomów fosforu za pomocą silnych pól magnetycznych.

Jednak wielkim nierozwiązanym wyzwaniem było znalezienie sposobu na zajęcie się spinem pojedynczego elektronu krążącego wokół atomu fosforu i odczytanie jego wartości.

Dzisiaj Jarryd Pla z Uniwersytetu Nowej Południowej Walii w Sydney i kilku kumpli twierdzą, że pokonali to zadanie po raz pierwszy.

Ci faceci wszczepili pojedynczy atom fosforu do krzemowej nanostruktury i umieścili go w silnym polu magnetycznym o temperaturze bliskiej zeru bezwzględnego. Udało im się wtedy zmienić stan elektronu krążącego wokół atomu fosforu, załączając go mikrofalami.

Ostatnim krokiem, który sam w sobie stanowiło istotne wyzwanie, było odczytanie stanu elektronu w procesie znanym jako konwersja spin-ładunek.

Efektem końcowym jest urządzenie, które może przechowywać kubit i manipulować nim oraz ma potencjał do wykonywania operacji logicznych na dwóch kubitach z pobliskimi atomami; innymi słowy podstawowy element konstrukcyjny skalowalnego komputera kwantowego.

Wyniki te wskazują, że spin elektronu pojedynczego atomu fosforu w krzemie jest doskonałą platformą do budowy skalowalnego komputera kwantowego - mówi zespół.

Wygląda to na duży postęp w australijskich staraniach stworzenia skalowalnego komputera kwantowego.

Jednak w ciągu 15 lat, odkąd Kane opublikował swój oryginalny projekt, pojawiła się ostra konkurencja. W szczególności fizycy znaleźli prosty sposób na przechowywanie i przetwarzanie informacji kwantowych w defektach wakansu azotu w diamencie.

Jest też firma D-Wave Systems, która już teraz produkuje skalowalny komputer kwantowy działający w zupełnie inny sposób, niż sprzedawała go firmom takim jak Lockheed Martin i Google.

Dużą zaletą australijskiego projektu jest jego kompatybilność z istniejącym przemysłem produkcji chipów opartych na krzemie. Teoretycznie wprowadzenie tej technologii do przyszłych chipów będzie proste.

Trudno powiedzieć, czy tak się stanie w praktyce. Bycie pierwszym na rynku to duża zaleta w świecie zaawansowanych technologii, a australijski projekt jest jeszcze wiele lat od wyłonienia się z laboratoriów.

Istnieje wiele przeszkód, które mogą zniweczyć każdą z tych wschodzących technologii. Ten wyścig jeszcze się nie skończył.

Nr ref.: arxiv.org/abs/1305.4481 : Kubit spinowy z pojedynczym atomem w krzemie

ukryć