Komputery kwantowe z nanorurek węglowych

Konwencjonalne bity mogą mieć tylko wartość 0 lub 1, podczas gdy bity kwantowe mogą reprezentować 0, 1 lub obie wartości naraz. Dzięki ten wyjątkowej własności mechaniki kwantowej, zwanej superpozycją, komputery kwantowe przyszłości mogłyby teoretycznie znacznie przewyższać wydajnością komputery konwencjonalne w specjalistycznych zastosowaniach. Jedną z oczywistych metod fizycznego implementowania kubita jest wykorzystanie spinu elektronu.

W niedawnych badaniach wykazano możliwość inicjowania, manipulowania, sprzęgania i odczytywania kubitów spinowych z użyciem elektronów unieruchomionych w środowisku stałym. Wykorzystując dofinansowanie UE dla projektu CARBONQUBITS (Quantum bits in carbon nanostructures), naukowcy badają wyjątkowy potencjał nanorurek węglowych dla implementowania kubitów i prowadzenia obliczeń kwantowych w środowisku stałym.

Dotychczasowe wyniki pozwoliły lepiej poznać zjawiska fizyczne dotyczące ruchów kwantowych i właściwości czasowych kontroli nad spinem, co wspomoże projektowanie i optymalizowanie nanostruktur węglowych dla potrzeb obliczeń kwantowych.

Prace teoretyczne wskazują, że oddziaływania między spinem elektronu uwięzionego na nanorurce węglowej zawieszonej nad rowkiem a wibracjami samej nanorurki mogą być bardzo silne. Dostrojenie nanorurki w taki sposób, aby drgała zgodnie ze spinem, umożliwia przechwycenie i wielokrotne ponowne emitowanie kwantu dźwięku emitowanego przez elektron, nim ten kwant zostanie utracony. Zjawisko to będzie cennym narzędziem do badania ruchów kwantowych i może stanowić sposób na implementowanie komunikacji na odległość między kubitami.

Dla potrzeb skutecznych obliczeń kwantowych czas wykonywania operacji na kubitach musi być znacznie krótszy od czasu utraty informacji. Na prostym modelu wykazano, że zwiększanie pola wzbudzającego powoduje do pewnego poziomu przyspieszanie kontroli spinu. Po przekroczeniu tego poziomu optymalnego przerzucanie spinów staje się wolniejsze i zjawisko to dotyczy również kubitów spinowych w kropkach kwantowych na bazie nanorurek węglowych.

Era komputerów kwantowych jest już coraz bliżej, a projekt CARBONQUBITS powinien wnieść znaczący wkład w niezbędne badania. Realizowane prace przyniosą wymierne korzyści zarówno dla zaangażowanych badaczy, jak i dla konkurencyjności Europy na tym przyszłościowym rynku.