Nanoukłady spinowe przynoszą nowy typ bitów kwantowych

Szybki postęp, jaki dokonuje się w hodowli kryształów i powiązana z nią technologia urządzeń otwierają nowe możliwości. Skutki tej ewolucji są prawdopodobnie najbardziej widoczne w pracach nad ultra-małymi strukturami, których właściwości materiałowe mogą być regulowane w nanoskali. Powody rozwoju? Nanostruktury półprzewodnikowe posiadają unikatowe właściwości optyczne i elektroniczne, dzięki którym mogą stać się punktem wyjścia w kierunku urządzeń nowej generacji.

Naukowcy koncentrują się w szczególności na właściwościach spinów w nanostrukturach, a ich ostatecznym celem jest wykorzystanie nanoukładów spinowych do stworzenia na przykład solidnych bitów kwantowych (kubitów) zdolnych do zapamiętywania ogromnych ilości informacji. Partnerzy finansowanego ze środków UE projektu S^3NANO z powodzeniem opracowali innowacyjną postać kubitów. Według nich te innowacyjne kubity mogą pełnić rolę jednostek informacji w przyszłych komputerach kwantowych.

Projekt S^3NANO, którego wszystkie najważniejsze ustalenia właśnie zostały opublikowane, połączył prowadzone aktualnie badania i naukowców. Do współpracy nad projektami badawczymi poświęconymi nowym koncepcjom urządzeń w dziedzinie spinowych nanoukładów półprzewodnikowych zaproszono zespół czołowych naukowców i instytucji międzynarodowych. Na przestrzeni czterech lat ta „sieć spinowych nanoukładów półprzewodnikowych” wypracowała wiele przełomowych osiągnięć w zakresie poznania i udanego zastosowania układów w nanoskali w przyszłych urządzeniach poprzez badania, programy wymiany i sesje szkoleniowe.

Odpowiedź leży w dziurze

Przed projektem S^3NANO, kubity dostępne były wyłącznie w postaci pojedynczych elektronów. Aby utworzyć kubity na bazie elektronu, elektron musi zostać zamknięty w tak zwanej kropce kwantowej – maleńkim półprzewodniku, który wprowadza elektron w ruch obrotowy, aż przekształci się w mały magnes trwały. Naukowcy są w stanie manipulować spinem za pomocą zewnętrznego pola magnetycznego, a kierunek spinu jest wykorzystywany do kodowania informacji.

Mimo iż to osiągnięcie było samo w sobie przełomowe, daleko mu było do doskonałości. Problem z kubitami na bazie elektronów polega na tym, że same elektrony powodują interferencje, które sprawiają, że nośniki informacji są trudne do programowania i odczytu. Potrzebna była zatem lepsza metoda.

Dzięki podjęciu kolejnego kroku partnerzy projektu S^3NANO pomogli znaleźć rozwiązanie. Naukowcy odkryli, że kluczem było zastosowanie dziur elektronowych jako kubitów, a nie elektronów. Zamiast zamykania pojedynczych elektronów w kropce kwantowej, zespół postanowił usunąć określone elektrony. W efekcie wygenerowane zostały naładowane dodatnio luki w samej strukturze elektronowej, tak zwane dziury elektronowe. Dziury elektronowe mają spin i można nimi manipulować za pomocą pola magnetycznego w celu kodowania informacji.

Jednak w odróżnieniu od elektronów, dziury elektronowe są naładowane dodatnio, co oznacza, że są rozprzęgnięte od naładowanych dodatnio jąder otaczających atomy – to praktycznie uodpornia je na interferencje spinu jądra atomowego.

Dalsze badania

Naukowcy są zachwyceni wysoką jakością kropek kwantowych, które udało się uzyskać i zwracają uwagę, że stanowią one ważny krok w kierunku osiągnięcia zdolności do wytwarzania powtarzalnych komponentów na bazie bitów kwantowych. Jednak w związku z tym, że dziury elektronowe są bardziej podatne niż elektrony na zakłócenia wywoływane wysoką temperaturą, nadają się tylko do zastosowań w niskich temperaturach.

Aby wyeliminować tę wadę oraz posunąć naprzód prace w ramach projektu S^3NANO, w 2016 r. utworzona została kolejna sieć. Sieć Marie Sklodowska-Curie ITN Spin-NANO Network zatrudnia obecnie 15 doktorantów.

Więcej informacji:
witryna projektu S^3NANO