Obliczenia kwantowe idą o krok naprzód dzięki nowym kubitom opartym na dziurach
Możliwości obliczeniowe dzisiejszych superkomputerów mogą przyprawić o zawrót głowy, jednak przewiduje się, że komputery kwantowe będą szybsze niż najpotężniejsze z tych maszyn, a mając tak ogromną moc i prędkość, będą w stanie rozwiązywać problemy, z którymi obecnie nie radzi sobie żaden procesor. Sekret mocy obliczeniowej komputerów kwantowych polega na wykorzystaniu w nich bitów kwantowych, czyli kubitów – cząstek subatomowych będących podstawowymi jednostkami informacji kwantowych. Obecnie badacze korzystający ze wsparcia z projektów MaGnum i microSPIRE finansowanych przez UE opracowali potencjalny nowy system niezawodnych kubitów, wykorzystując spin tak zwanych dziur. Utworzenie takich kubitów badacze opisali w wynikach badania opublikowanych w czasopiśmie „Nature Materials”.
Spiny dziur
Dziura jest brakiem elektronu w ciele stałym, w związku z czym jej ładunek jest dodatni. Mimo że same dziury nie są cząstkami, wiele je łączy z elektronami: gdy zbliżają się do siebie, zaczynają oddziaływać, można też mówić o występowaniu u nich właściwości kwantowo-mechanicznej zwanej spinem. Co więcej, dziury w materiałach takich jak metaloidalny german są doskonałymi kandydatami na kubity spinowe. Naukowcy zbudowali nanostrukturę z różnych warstw germanu i krzemu, dzięki czemu mogli umieścić dziury w obszarze zasadniczo dwuwymiarowym. Główny autor badania, Daniel Jirovec z Instytutu Nauki i Technologii w Austrii będącego koordynatorem projektu MaGnum, opisał swą współpracę z Laboratorium Epitaksji Nanostruktur i Spintroniki Krzemowej (ang. Laboratory for Nanostructure Epitaxy and Spintronics on Silicon, L-NESS) na Politechnice Mediolańskiej, będącej koordynatorem projektu microSPIRE. „Nasi współpracownicy w L-NESS przygotowali kilka warstw różnych mieszanek krzemu i germanu o grubości zaledwie kilku nanometrów. Umożliwiło nam to rozmieszczenie dziur w środkowej warstwie, bogatej w german”, wyjaśnił Jirovec w komunikacie prasowym opublikowanym w „HPCwire”. „Na górze dodaliśmy niewielkie przewody elektryczne, tak zwane bramki, które po przyłożeniu do nich napięcia kontrolują ruch dziur. Dziury o dodatnim ładunku elektrycznym reagują na przyłożone napięcie; można je wtedy przesuwać wewnątrz warstwy z niebywałą precyzją”. Zespół badawczy wykorzystał tę technikę do przemieszczenia dwóch dziur znajdujących się blisko siebie, tak by ich spiny zaczęły oddziaływać, tworząc tym samym kubit spinowy. Co ważniejsze, naukowcy byli w stanie utworzyć kubit z dwóch oddziałujących ze sobą spinów dziur za pomocą pola magnetycznego o indukcji mniejszej niż 10 militesli, czyli wartości znacząco mniejszej niż pola magnetyczne innych układów kubitowych. „Wykorzystując nasz warstwowy układ germanowy, możemy ograniczyć niezbędną indukcję pola magnetycznego, a tym samym pozwolić na połączenie kubitu z nadprzewodnikami, których działanie jest zwykle osłabiane przez silne pola magnetyczne”, oznajmił Jirovec, wyjaśniając duże znaczenie tego osiągnięcia. Dwuletni projekt MaGnum (Majorana bound states in Ge/SiGe heterostructures) zakończył się w marcu 2021 roku. Z kolei realizacja projektu microSPIRE (micro-crystals Single Photon InfraREd detectors) potrwa do października 2021 roku. Więcej informacji: projekt MaGnum strona projektu microSPIRE
Słowa kluczowe
MaGnum, microSPIRE, spin dziury, kwantowy, kubit spinowy, german, krzem, pole magnetyczne
