Wszystko sprowadza się do tego samego problemu – jak utrzymać delikatny stan kwantowy dużej liczby kubitów na tyle długo, by dało się na nich wykonać coś więcej niż efektowny pokaz w laboratorium? Odpowiedź na to zapewnia dziś zespół naukowców z Penn State i Colorado State University, który doniósł o odkryciu, mającym raz na zawsze zmienić stan komputerów kwantowych. Chodzi o nanoklastry złota zachowujące się jak pojedyncze atomy. Te struktury, zwane superatomami, oferują coś, czego desperacko brakuje w dziedzinie informatyki kwantowej, bo potencjał łatwego skalowania przy jednoczesnym zachowaniu pożądanych właściwości kwantowych. Co istotne, ich właściwości można modyfikować na poziomie molekularnym, dostosowując je do konkretnych potrzeb.
Superatomy złota naśladują pułapkowane jony, a molekularne klastry zachowują się jak pojedyncze atomy
Podstawowym wyzwaniem współczesnych komputerów kwantowych jest ich fundament. Najprecyzyjniejsze systemy wykorzystują pułapkowane jony atomowe w stanie gazowym, które zapewniają doskonałą kontrolę. Ich rozcieńczona natura uniemożliwia jednak praktyczne skalowanie, bo wszelkie próby upakowania większej liczby jonów prowadzą do nieuchronnych problemów. W tym miejscu pojawiają się złote nanoklastry, które składają się z małej grupy atomów złota otoczonych organicznymi ligandami, ale jako całość wykazują elektronową naturę przypominającą pojedynczy, wielki atom.
Czytaj też: Metamateriał z obracającymi się filarami pokonuje fizykę dźwięku. Może przyjąć więcej konfiguracji niż jest atomów we wszechświecie
Nate Smith i jego współpracownicy odkryli w tych strukturach coś niezwykłego, bo 19 rozróżnialnych stanów spinowo-spolaryzowanych typu Rydberga. Są to dokładnie te same rodzaje superpozycji kwantowych, które osiąga się w zaawansowanych systemach z pułapkowanymi jonami, ale w formie materiału, który teoretycznie można produkować i integrować znacznie prościej.
Polaryzacja spinowa decyduje o dokładności. Jak długo system kwantowy utrzymuje informację?
W świecie kwantowym spin elektronu to fundamentalna właściwość, która przekłada się bezpośrednio na wydajność. Im wyższy stopień polaryzacji spinowej, czyli uporządkowania spinów w materiale, tym dłużej system może utrzymywać spójność kwantową, a tym samym przechowywać informacje bez błędów. Wyniki pomiarów dla złotych nanoklastrów okazały się w tej kwestii obiecujące. Pierwszy badany typ osiągnął polaryzację spinową na poziomie 7%, co już jest wartością przyzwoitą.
Czytaj też: Czarnobyl znów niepokoi naukowców. Tajemniczy wzrost aktywności neutronowej w zniszczonym reaktorze
Jednak drugi klaster, z nieco zmodyfikowanym ligandem, zaskoczył badaczy, osiągając niemal 40%. Jest to poziom porównywalny z najlepszymi dwuwymiarowymi materiałami kwantowymi, takimi jak grafen czy dichalkogenki metali przejściowych, nad którymi pracuje się obecnie na świecie. Kluczową zaletą klastrów jest jednak ich struktura, bo oferują one atomopodobne właściwości w formie materiału stałego, który jest mniej podatny na fundamentalne ograniczenia tradycyjnych, gęsto upakowanych układów.
Czytaj też: Chiny z kolejnym przełomem. 3000-krotnie wyprzedziły resztę świata
Najbardziej fascynującym aspektem tego odkrycia jest nowa możliwość, którą ono otwiera. Badacze zaobserwowali, że właściwości spinowe elektronów w rdzeniu złota są ściśle sprzężone z wibracjami otaczających go ligandów. W praktyce oznacza to, że poprzez zmianę “opakowania” molekularnego klastra można aktywnie wpływać na jego parametry kwantowe. Takie podejście przypomina nieco projektowanie leków, gdzie modyfikuje się cząsteczkę, aby osiągnąć pożądany efekt. Zamiast poszukiwać w naturze idealnego, niezmiennego materiału kwantowego, naukowcy zyskują narzędzie do jego “projektowania na zamówienie”. Otwiera to zupełnie nową ścieżkę badań nad materiałami dla informatyki kwantowej.
Czy to już kwantowy przełom?
Trudno nie dostrzec potencjału w tym odkryciu. Połączenie atomopodobnych właściwości, łatwiejszej skalowalności i możliwości chemicznego dostrojenia stanowi naprawdę interesujący pakiet. Warto jednak pamiętać, że od publikacji w czasopiśmie naukowym do działającego, skomercjalizowanego układu kwantowego droga jest bardzo długa. Kluczowe pytania dotyczą trwałości tych struktur w prawdziwych warunkach, powtarzalności ich produkcji oraz efektywności integracji z innymi komponentami, takimi jak bramki logiczne czy systemy odczytu. Mimo to, prace zespołu z Penn State i Colorado State wskazują na nowy i niezwykle kreatywny kierunek myślenia. Pokazują, że czasami rozwiązanie złożonego problemu inżynieryjnego może przyjść z zupełnie innej dziedziny nauki. Być może przyszłość obliczeń kwantowych okaże się błyszcząca w dosłownym tego słowa znaczeniu.