211service.com
Skok kwantowy
Międzynarodowy zespół naukowców wykazał, że może kontrolować stan kwantowy pojedynczego elektronu w tranzystorze krzemowym – nawet umieszczając elektron w dwóch miejscach jednocześnie. Ich odkrycie może pomóc utorować drogę ku praktycznemu komputerowi kwantowemu.
Balustrada: Model komputerowy pokazuje atom arsenu z elektronem, który znajduje się jednocześnie w dwóch różnych stanach kwantowych. Międzynarodowy zespół naukowców eksperymentalnie potwierdził przewidywania modelu.
Komputery kwantowe wykorzystują dziwne właściwości cząstek subatomowych, aby wykonywać pewne rodzaje obliczeń znacznie szybciej niż klasyczne komputery. Naukowcy badają wiele różnych podejść do obliczeń kwantowych, a niektórzy zbudowali nawet prymitywne obwody kwantowe, które mogą wykonywać obliczenia. Jednak praktyczne obliczenia kwantowe wymagałyby zdolności do wytwarzania urządzeń z milionami obwodów kwantowych – a nie 12 czy 16 osiągalnych obecnie – które można zintegrować z bardziej konwencjonalną elektroniką.
Jedno z teoretycznego podejścia do praktycznej elektroniki kwantowej polega na wykorzystaniu konwencjonalnej elektroniki — małych tranzystorów półprzewodnikowych — do kontrolowania stanu układu kwantowego. Badacze kierowani przez Sven Rogge , naukowiec z Delft University of Technology w Holandii, przeprowadził pierwsze praktyczne eksperymenty, aby zweryfikować teoretyczne przewidywania podejścia. Zespół – w skład którego weszli również naukowcy z Uniwersytet Purdue ; ten Uniwersytet w Melbourne , w Australii; oraz IMEC , w Belgii – odkrył, że może kontrolować stan kwantowy pojedynczego elektronu, po prostu zmieniając napięcie przyłożone do tranzystora. To dobry krok w kierunku przyszłych urządzeń, w których wydajność jest określana przez manipulowanie stanami kwantowymi pojedynczych atomów, mówi Thomas Schenkel, naukowiec z Laboratorium Krajowe im. Lawrence'a Berkeley .
Naukowcy wykorzystali prefabrykowane tranzystory zbudowane do badań nanotechnologicznych, z których każdy składał się z dwóch skrzyżowanych nanoprzewodów krzemowych. Jeden z nanoprzewodów – dolny – był podłączony do elektrod zawierających arszenik. Kiedy ten przewód był ładowany, czasami wciągał do tranzystora atomy arsenu. Po przyłożeniu napięcia do około 100 tranzystorów zespół odkrył sześć, które wydawały się mieć pojedyncze atomy arsenu osadzone w nanodrutach. Następnie odkryli, że zmiana napięcia na górnym przewodzie kontrolowałaby stan kwantowy jednego z elektronów atomu. Wykorzystując technikę obrazowania zwaną skaningową spektroskopią tunelową, byli w stanie rozróżnić trzy stany atomów we wszystkich sześciu urządzeniach. Jeden z tych stanów odpowiadał przebywaniu elektronu w dwóch miejscach jednocześnie – właściwości niezbędnej do obliczeń kwantowych.
Ale żeby zrozumieć zachowanie jednego atomu, trzeba zamodelować miliony, mówi Rogge. Więc on i jego koledzy użyli gotowego programu o nazwie NEMO 3D scharakteryzować wielkoskalowy system zawierający 1,4 miliona atomów. Odkryli, że pomiary ich systemu modelowego były w dobrej zgodności z wynikami spektroskopii. Naprawdę fajnie jest zobaczyć, jak dobrze ich symulacje mogą opisywać losowo domieszkowane tranzystory, które różnią się w szczegółach, mówi Schenkel.
Odmienne stany: Wraz ze wzrostem pola elektrycznego indukowanego przez nanodrut krzemowy (szary) elektron w atomie arsenu przechodzi ze stanu podstawowego (po lewej) do stanu wzbudzonego (po prawej). Podczas tego przejścia elektron wchodzi w stan zhybrydyzowany (środkowy), w którym znajduje się jednocześnie w obu pozostałych stanach. Teoretycznie taki elektron mógłby służyć jako kubit w komputerze kwantowym.
W zależności od natężenia pola elektrycznego wytworzonego przez górny nanodrut, elektron może znajdować się w jednym z trzech stanów. Przy niskich polach elektrycznych elektron pozostawał związany z atomem arsenu. Przy wysokich polach elektrycznych elektron został oderwany od atomu. Ale kiedy pole elektryczne będzie na odpowiednim poziomie, elektron znajdzie się w obu miejscach jednocześnie.
Aby komputer kwantowy działał, jego kubity – kwantowy odpowiednik bitów klasycznego komputera – muszą być splątane: ich stany kwantowe muszą być ze sobą sprzężone. Odciągnięcie elektronu od jego atomu może być interesującym sposobem na sprzężenie sąsiednich kubitów, mówi Schenkel.
Chociaż ten wynik jest ważny, prawdziwym wyzwaniem w tworzeniu przyszłych urządzeń z pojedynczą domieszką jest ustalenie, jak umieścić [atomów arsenu] w krzemowym żywiole z wymaganą precyzją, mówi. Bruce Kane , naukowiec na Uniwersytecie Maryland. Naukowcy przypadkowo znaleźli sześć urządzeń; aby wytworzyć działające obwody, musiałyby być w stanie bardziej niezawodnie pozycjonować atomy arsenu – lub innego materiału – w tranzystorach.
Podczas gdy naukowcy ostatecznie mają nadzieję, że będą w stanie kontrolować położenie atomów w tranzystorze, naszym następnym krokiem jest dodanie drugiego elektronu i zobaczenie, co dzieje się z konfiguracją stanu elektronowego, mówi Gabri Lansbergen, inny badacz z Delft. Rogge dodaje, że w odległej przyszłości chcielibyśmy poeksperymentować z kilkoma [materiałami] i zobaczyć, jak wchodzą w interakcje.