Elektryczne sterowanie właściwościami kwantowymi
Nadzieję na rozwiązanie tego problemu przynoszą badania holenderskich naukowców z Uniwersytetu w Twente i Uniwersytetu w Utrechcie. Zespół odkrył, że germanen – dwuwymiarowy materiał z pojedynczej warstwy atomów germanu – pozwala kontrolować stany kwantowe za pomocą zwykłego pola elektrycznego. To odkrycie może otworzyć drogę do stworzenia stabilnych kubitów, które nie będą wymagały tak ekstremalnych warunków pracy jak obecne rozwiązania. Germanen, będący mniej znanym krewnym grafenu, ujawnia swoje niezwykłe właściwości dopiero po pocięciu na niezwykle wąskie wstążki o szerokości zaledwie 2 do 4 heksagonów atomowych. W takich warunkach na krawędziach materiału pojawiają się tak zwane zerowymiarowe topologiczne stany końcowe.
Badacze zastosowali niestandardowe wykorzystanie skaningowego mikroskopu tunelowego. Zamiast ograniczać się do obserwacji powierzchni, zmieniali odległość między końcówką mikroskopu a materiałem, co umożliwiało precyzyjne dostrajanie lokalnego pola elektrycznego.
Zmieniając odległość między skaningowym mikroskopem tunelowym a nanostążką, dostosowujemy lokalne pole elektryczne. Pozwala nam to dosłownie włączać i wyłączać stan kwantowy – objaśnia Esra D. van ‘t Westende, współautorka badania
Co ciekawe, zachowanie stanów kwantowych okazało się zależeć od szerokości wstążki. W najwęższych paskach stan końcowy był widoczny przy niskich polach elektrycznych i zanikał przy wyższych. W szerszych wstążkach obserwowano odwrotną zależność – silniejsze pola aktywowały stany topologiczne. Ta zależność daje naukowcom niezwykle precyzyjną kontrolę nad właściwościami materiału.
Naturalna ochrona przed dekoherencją
Najważniejszą zaletą topologicznych stanów końcowych w germanenie jest ich wrodzona odporność na zakłócenia. W odróżnieniu od konwencjonalnych kubitów, które szybko tracą swoje właściwości pod wpływem szumu środowiskowego, stany topologiczne są chronione przez swoją matematyczną strukturę. Można to porównać do sytuacji, w której informacja kwantowa jest zakodowana nie w pojedynczych atomach, ale w globalnej topologii całego układu.
Dla rozwoju komputerów kwantowych to potencjalnie przełomowe odkrycie. Obecne systemy wymagają skomplikowanych protokołów korekcji błędów, które pochłaniają znaczną część mocy obliczeniowej. Gdyby udało się stworzyć kubity z materiałów naturalnie odpornych na szum, konstrukcja maszyn kwantowych stałaby się znacznie prostsza i wydajniejsza. Badania te powstały w ramach holenderskiego programu QuMat, który łączy zespoły eksperymentalne i teoretyczne w poszukiwaniu materiałów kwantowych nowej generacji. Wyniki opublikowano w czasopiśmie Physical Review Letters.
Wyzwania skalowania technologii kwantowej
Możliwość elektrycznej kontroli stanów kwantowych to nie tylko ciekawostka akademicka. Stanowi kluczowy element układanki potrzebnej do skalowania całej technologii kwantowej. Współczesne komputery kwantowe operują na dziesiątkach lub co najwyżej setkach kubitów. Tymczasem do osiągnięcia praktycznej przewagi kwantowej w realnych zastosowaniach potrzebne będą układy zawierające miliony kubitów.
Ten projekt pokazuje dokładnie, dlaczego mamy QuMat: grupy eksperymentalne i teoretyczne współpracujące w celu projektowania nowych materiałów dla przyszłych urządzeń kwantowych – dodaje Pantelis Bampoulis
Czytaj też: Siedem nowych materiałów ceramicznych. Wystarczy ograniczyć dostęp tlenu
Naukowcy zaznaczają jednak, że ich odkrycie to wciąż badania podstawowe. Od laboratoryjnego eksperymentu do funkcjonalnego procesora kwantowego wiedzie długa droga pełna wyzwań inżynieryjnych. Germanen musi wykazać się stabilnością w temperaturze pokojowej, nadawać się do produkcji masowej i integracji z istniejącymi technologiami półprzewodnikowymi. Ścisła współpraca między teoretykami a eksperymentatorami w ramach QuMat pokazuje nowy model rozwoju technologii kwantowych. Zamiast polegać na przypadkowych odkryciach, naukowcy projektują materiały od podstaw, przewidując ich właściwości za pomocą symulacji komputerowych, a następnie weryfikując teorie w laboratorium. Takie podejście może znacząco przyspieszyć drogę od koncepcji do funkcjonalnego urządzenia.
Germanen dołącza do coraz szerszej gamy materiałów dwuwymiarowych badanych pod kątem zastosowań kwantowych. Choć na razie trudno przewidzieć, który z nich okaże się tym właściwym, holenderskie odkrycie z pewnością przybliża nas do praktycznej realizacji stabilnych komputerów kwantowych. Warto jednak pamiętać, że pomiędzy obiecującym odkryciem laboratoryjnym a komercyjnym produktem zwykle mija wiele lat prac badawczych i rozwojowych.