Australialaisen New South Walesin yliopiston tutkijat ovat keksineet radikaalin uuden arkkitehtuurin kvanttilaskentaan. Se perustuu uudenlaisiin "flip-flop -kubitteihin", joiden avulla kvanttisirujen laajamittaisesta valmistuksesta voi tulla dramaattisesti halvempaa ja helpompaa kuin on ajateltu.
Tekniikan avulla voidaan rakentaa piirakenteinen kvanttiprosessori, jota voidaan laajentaa ilman tarkkoja atomien sijoituksia. Tutkijaryhmän vetäjä Andrea Morello ja UNSW:n ARC Centre of Excellence for Quantum Computation and Communication Technologyn (CQC2T) ohjelmavastaavan mukaan uuden rakenteen valmistuksen pitäisi olla helposti saavutettavissa nykypäivän tekniikan avulla.
Tutkijakollega ja raportin ensimmäinen kirjoittaja Guilherme Tosi kehitti uraauurtava konseptin yhdessä Morellon ja muiden CQC2T:n ja Purduen yliopiston tutkijoiden kanssa.
- Se on loistava suunnitelma, ja kuten monien käsitteellisten harppauksien yhteydessä, on hämmästyttävää, ettei kukaan ole ajatellut samaa aiemmin", toteaa Morello.
Ryhmä kehittämä 'spinien kubitti' käyttää sekä elektronia että atomin ydintä. Tätä kubittia voidaan ohjata sähköisten signaalien avulla magneettisten sijaan. Sähköiset signaalit ovat huomattavasti helpommin jaeltavissa ja paikallistettavissa elektronisen sirun sisällä.
Uusi ratkaisu mahdollistaa myös suurten kubittiryhmien toteutuksen. Jos kubitit ovat liian lähellä tai liian kaukana toisistaan, ei lomittumista tapahdu. Kun tavoitteena on tehdä tuhansien tai miljoonien kubittien järjestelmä, on myös kaikki ohjauslinjat, ohjauselektroniikka ja lukupiirit valmistettava nanometrien mitoissa.
Esimerkiksi jo käyttöön otetut suprajohtavat piirit - joita esimerkiksi IBM ja Google tavoittelevat – sekä ioniansat ovat suurempia ja helpompia valmistaa. Pitkällä aikavälillä ne voivat kuitenkin kohdata haasteita yritettäessä koota ja käyttää miljoonia kubitteja, kuten hyödyllisimmissä kvanttialgoritmeissa vaaditaan.
- Uusi piipohjainen lähestymistapamme on atomitason rakenteita helpompi valmistaa. Silti voimme sijoittaa miljoona kubittia neliömillimetrille, toteaa Morello. Ryhmän piitekniikkaa hyödyntävä ratkaisu toimii absoluuttisen nollan lähellä olevassa lämpötilassa ja erittäin vahvassa magneettikentässä. Sen ytimessä on fosforiatomi, jonka elektronia ja ydintä hyödyntäen UNSW:n tutkijat ovat saavuttaneet hyvän koherenssin kestoajan.
Konseptin läpimurto on luoda näistä kokonaan uuden tyyppiset kubitit. Kubitin "0" tila määritellään, kun elektronin spin on alas ja ytimen spin on ylöspäin, kun taas "1" tilassa elektronin spin on ylöspäin ja ytimen spin on alas.
Tutkijat kutsuvat sitä flip-flopiksi. Tämän qubitin operoimiseksi elektroni on vedettävä hieman poispäin ytimestä, jolloin syntyy sähköinen dipoli. Ne vuorovaikuttavat toistensa kanssa melko suurilla etäisyyksillä, jolloin jää tilaa tarvittavalle ohjauselektrodeille ja luentapiireille.
- Kyseessä on vasta teoria, ehdotus - kubittia ei ole vielä rakennettu. Meillä on alustavia kokeellisia tietoja, jotka viittaavat siihen, että konsepti on täysin toteuttamiskelpoinen, Morello muistuttaa.
Veijo Hänninen
Nanobittejä 8.9.2017
