Kööpenhaminan yliopiston Niels Bohrin -instituutin tutkijat yhteistyöllä Purduen ja Sydneyn yliopistojen kanssa ovat realisoineet elektronien spinien vaihtoa pidemmälläkin olevien kvanttipisteiden välillä. Löytö vie askeleen lähemmäs kvantti-informaation tulevia sovelluksia, koska menetelmän avulla voidaan mikropiirillä järjestää kvanttipisteiden välille riittävästi tilaa sähköisen ohjauksen elektrodeja varten.
Kvantti-informaatiota voidaan tallentaa ja vaihtaa elektronin spinin tiloja käyttäen. Elektronien varausta voidaan manipuloida porttijännitepulsseilla, jotka ohjaavat siten myös niiden spiniä.
Kvantti-informaatiota voidaan koodata elektronien spin-tiloihin, ne kun eivät ole paljoakaan vuorovaikutuksessa häiritsevän ympäristön kanssa. Tämä tekee niistä hyödyllisiä kestävinä ja pitkäikäisinä kvanttimuisteina. Ongelma on se, että kvantti-informaation aktiivinen käsittely vaatii vuorovaikutusta.
Tutkijat asettivat suuren ja pitkänomaisen kvanttipisteen sen molemmilla puolin olevien kvanttipisteiden väliin. Sen avulla voidaan välittää koherentti spintilojen vaihtaminen sekunnin miljardisosan sisällä ilman, että elektroneja siirretään pisteistään. Välittäjänä toimii 50–100 elektronin kvanttipiste.
- Toisin sanoen meillä on nyt sekä nopea vuorovaikutus että tarvittava tila pulssiporttien elektrodeille, sanoo Niels Bohr -instituutin apulaisprofessori Ferdinand Kuemmeth.
Tällä hetkellä tutkitaan esimerkiksi kiinteän piiritekniikan kvanttitietokoneiden toteutuksia eli puolijohtavia spin-kubitteja, suprajohtavia gatemon-kubitteja ja topologisia Majorana-kubitteja. Ne ovat kaikki jänniteohjattuja kubitteja.
Löydön teoreettisen kehyksen kuvailee Sydneyn yliopiston kvanttifysiikan professori Stephen Bartlett: - Teoreettisesti tämä löydös on jännittävä, koska se vapauttaa meidät kubitin rajoittavasta geometriasta, joka perustuu vain lähimpiin naapureihinsa.
Saavutus mahdollistaa mielivaltaisten elektroniparien kytkennän ja voi johtaa ohjelmoitavaan laitteistorakenteeseen, jossa kubit-kubit -yhteydet voidaan konfiguroida uudelleen palvelemaan parhaiten tiettyjä laskennallisia tehtäviä.
Kaiken kaikkiaan nopea spinin vaihto ei ole vain merkittävä tieteellinen ja tekninen saavutus, vaan sillä voi olla syvällisiä vaikutuksia kiinteän kvanttitietokoneiden arkkitehtuuriin. Syynä on etäisyys. - Jos muidenkin kuin aivan vierekkäisten kubittien välisiä spinejä voidaan hallitusti vaihtaa, tämä mahdollistaa sellaisten verkkojen toteutuksen, joissa kubittien väliset yhteydet mahdollistavat merkittävästi kasvavan laskennallisen kvanttiulottuvuuden, ennustaa Kuemmeth.
Veijo Hänninen
Nanobittejä 22.3.2019
Tekoäly, kehittyneet yhteydet ja tietoturva muuttavat sulautettujen järjestelmien arkkitehtuureja. Laskentateho kasvaa nopeasti samaan aikaan, kun laitteiden fyysinen koko pienenee. Tietoturva, datan hallinta ja uudet säädökset lisäävät vaatimuksia niin yhteyksille kuin suunnittelullekin. Samalla laitevalmistajat pyrkivät nopeuttamaan tuotekehitys- ja testaussyklejään.