Naukowcy z amerykańskiego Massachusetts Institute of Technology wykorzystali z dużym powodzeniem grafen w komputerze kwantowym. „Stanowi to istotny krok naprzód w praktycznych obliczeniach kwantowych” – twierdzą naukowcy.

Dwa kubity (jeden z 2, a drugi z 1 atomów fosforu) umieszczone na krzemowym układzie w odległości 16 nanometrów od siebie. Naukowcy kontrolowali interakcje pomiędzy kubitami., © UNSW

Kubit to najmniejsza i niepodzielna jednostka informacji kwantowej. Kubity używają różnych metod do wytwarzania bitów informacji kwantowej. Podobnie jak w przypadku tradycyjnych układów binarnych w komputerach, kubity mogą utrzymywać jeden z dwóch stanów odpowiadających klasycznym bitom binarnym – 0 lub 1. Ale kubity mogą być jednocześnie superpozycją obu stanów, co oznacza, że są równocześnie 0 i 1. Może pozwolić komputerom kwantowym na rozwiązywanie złożonych problemów, które są praktycznie niemożliwe do pokonania dla tradycyjnych komputerów.

Kubit ( z angielskiego qubit od quantum bit, bit kwantowy) to najmniejsza i niepodzielna jednostka informacji kwantowej wykorzystywanej w komputerze kwantowym

Ilość czasu, przez jaki kubity pozostają stanie superpozycji, określa się jako czas koherencji. Im dłuższy czas koherencji, tym większa zdolność kubitu do obliczania złożonych problemów. W artykule opublikowanym w ostatnim dniu 2018 roku w magazynie Nature Nanotechnology naukowcy po raz pierwszy demonstrują spójny kubit wykonany z grafenu i kilku innych niezwykłych materiałów. Materiały te umożliwiają kubitowi zmianę stanów za pomocą napięcia, podobnie jak to się dzieje w tranzystorach w dzisiejszych tradycyjnych chipach komputerowych. Co więcej, badaczom udało się utrzymać stan superpozycji przez 55 nanosekundy. To bardzo długo jak na tę technologię. „Naszą motywacją jest wykorzystanie unikalnych właściwości grafenu do poprawy wydajności kubitów” – mówi Joel I-Jan Wang, jeden z autorów pracy, naukowiec pracujący w Laboratorium Badawczym Elektroniki w MIT. „W tej pracy pokazujemy po raz pierwszy, że kubit wykonany z grafenu jest koherentny kwantowo, co jest kluczem niezbędnym do budowy bardziej wyrafinowanych układów kwantowych. Nasze urządzenie jest pierwszym, które utrzymuje mierzalny czas koherencji wystarczająco długo, aby ludzie mogli lepiej kontrolować komputer kwantowy”.

W chipach kwantowych grafen (czerwony) umieszcza się pomiędzy warstwami heksagonalnego azotku boru

Kubity wykonane z nadprzewodników polegają na strukturze zwanej złączem Josephsona opartej o zjawisko fizyczne Tunelowanie Josephsona. Efekt ten polega na tunelowaniu elektronów między dwoma nadprzewodnikami na granicy nadprzewodnik-izolator-nadprzewodnik czyli wspomnianym wcześniej złączu Josephsona. W tradycyjnych konstrukcjach kubitu pętle prądowe wytwarzają małe pole magnetyczne powoduje przeskakiwanie pomiędzy materiałami nadprzewodzącymi elektronów, co powoduje, że kubit przełącza stany. Ale ten przepływ prądu pochłania dużo energii i powoduje inne problemy. Niedawno umieścili arkusz grafenu pomiędzy warstwami izolatora opartego o Wiązania van der Waalsa – w tym przypadku był to heksagonalny azotek boru (hBN). Oddziaływania van der Waalsa pozwalają na budowę materiałów o grubości atomu.

Wybrane materiały van der Waalsa mogą zostać użyte do wprowadzenia elektronów za pomocą napięcia, zamiast tradycyjnego pola magnetycznego „Praca może pomóc rozwiązać problem skalowania kubitu”, mówi Wang. „Obecnie tylko około 1000 kubitów mieści się na jednym chipie. Posiadanie kubitów sterowanych napięciem będzie szczególnie ważne, ponieważ teraz miliony kubitów mogą być umieszczone na jednym chipie. Bez kontroli napięcia będziesz potrzebował tysięcy lub milionów pętli prądowych, co zajmie dużo miejsca i prowadzi do rozpraszania energii” – mówi. Dodatkowo, kontrola napięcia oznacza uniknięcie tak zwanych „cross talk” -gdy odrobina pola magnetycznego wytworzonego przez prąd zakłóca kubit, powodując problemy obliczeniowe.

 

Stany kwantowe

 

Źródło: purepc