Fosfora atoma kvantu skaitļošanas mašīna

90. gadu beigās fiziķis Austrālijā izvirzīja kvantu datora projektu. Brūss Keins ierosināja, ka silīcijā iestrādātie fosfora atomi būtu ideāls veids, kā uzglabāt un manipulēt ar kvantu informāciju.

Viņa ideja bija tāda, ka fosfora atoma kodols varētu uzglabāt vienu kubitu ilgu laiku tā, kā tas griežas. Magnētiskais lauks varētu viegli risināt šo kubitu, izmantojot labi zināmas kodolmagnētiskās rezonanses spektroskopijas metodes. Tas ļautu veikt viena kubitu manipulācijas, bet ne divu kubitu darbības, jo kodola apgriezieni būtiski neietekmē viens otru.

Šim nolūkam viņš ierosināja pārnest spinu uz elektronu, kas riņķo ap fosfora atomu, kas daudz vieglāk mijiedarbotos ar elektronu, kas riņķo ap tuvējo fosfora atomu. Divu kubitu operācijas tad būtu iespējamas, manipulējot ar diviem elektroniem ar elektriskiem laukiem.

Keina kvantu datora lielā priekšrocība, kas tajā laikā sajūsmināja daudzus fiziķus, bija tā mērogojamība. Tā kā katru atomu var risināt atsevišķi, izmantojot standarta elektroniskās shēmas, ir vienkārši palielināt datora izmēru, pievienojot vairāk atomu un ar tiem saistītos elektroniskos piederumus, un pēc tam savienot to ar parasto datoru.

Keina kvantu datora izveide ir kļuvusi gandrīz par apsēstību Austrālijā, kur aptuveni 100 pētnieki ir strādājuši pie problēmas vairāk nekā desmit gadus.

Viņi ir panākuši sasniegumus, piemēram, spējuši implantēt fosfora atomus precīzās vietās silīcijā, izmantojot skenējošo tunelēšanas mikroskopu. Viņi arī ir spējuši risināt šo fosfora atomu kodolapgriezienus, izmantojot spēcīgus magnētiskos laukus.

Taču lielais neatrisinātais izaicinājums ir bijis atrast veidu, kā risināt atsevišķa elektrona spinu, kas riņķo ap fosfora atomu, un nolasīt tā vērtību.

Šodien Džarids Pla no Jaundienvidvelsas universitātes Sidnejā un daži draugi saka, ka viņi pirmo reizi ir pārvarējuši šo uzdevumu.

Šie puiši silīcija nanostruktūrā implantēja vienu fosfora atomu un ievietoja to spēcīgā magnētiskajā laukā temperatūrā, kas ir tuvu absolūtai nullei. Pēc tam viņi varēja mainīt elektrona stāvokli, kas riņķo ap fosfora atomu, iznīcinot to ar mikroviļņiem.

Pēdējais solis, nozīmīgs izaicinājums pats par sevi, bija elektrona stāvokļa nolasīšana, izmantojot procesu, kas pazīstams kā pārvēršana no griešanās uz lādiņu.

Gala rezultāts ir ierīce, kas var uzglabāt un manipulēt ar kubitu, un tai ir potenciāls veikt divu kubitu loģiskās darbības ar atomiem tuvumā; citiem vārdiem sakot, mērogojama kvantu datora pamatelements.

Šie rezultāti liecina, ka viena fosfora atoma elektronu spins silīcijā ir lieliska platforma, uz kuras var izveidot mērogojamu kvantu datoru, saka komanda.

Šķiet, ka tas ir liels progress Austrālijas centienos izveidot mērogojamu kvantu datoru.

Tomēr 15 gadu laikā, kopš Keins publicēja savu oriģinālo dizainu, ir parādījusies spēcīga konkurence. Jo īpaši fiziķi ir atraduši vienkāršu veidu, kā uzglabāt un apstrādāt kvantu informāciju par slāpekļa vakances defektiem dimantā.

Tad ir D-Wave Systems, kas jau ražo mērogojamu kvantu datoru, kas darbojas pilnīgi citā veidā, ko tas ir slavens pārdevis tādiem uzņēmumiem kā Lockheed Martin un Google.

Austrālijas dizaina lielā priekšrocība ir tā saderība ar esošo silīcija mikroshēmu ražošanas nozari. Teorētiski būs vienkārši iekļaut šo tehnoloģiju nākotnes mikroshēmās.

Grūti pateikt, vai tas tā notiks praksē. Būt pirmajam tirgū ir liela priekšrocība augsto tehnoloģiju pasaulē, un Austrālijas dizains joprojām ir daudzu gadu attālumā no tā, lai tas varētu parādīties laboratorijās.

Gaidāms daudz šķēršļu, kas var nojaukt jebkuru no šīm jaunajām tehnoloģijām. Šīs sacensības ne tuvu nav beigušās.

Atsauce: arxiv.org/abs/1305.4481 : viena atoma elektronu griešanās kubits silīcijā

paslēpties