Nowy ważny krok na drodze do topologicznego komputera kwantowego

Badania wykonała grupa naukowców z Instytutu Fizyki PAN oraz Fundacji Badawczej MagTop (Międzynarodowe Centrum Sprzężenia Magnetyzmu i Nadprzewodnictwa z Materią Topologiczną) w Warszawie. Badaniami kierowali prof. Tomasz Wojtowicz i Grzegorz Karczewski, we współpracy z amerykańskimi naukowcami z Uniwersytetu Purdue w West Lafeyette (kierownicy: prof. Leonid Rohkinson oraz Yuli Lyanda-Geller). O badaniach naukowcy z IF PAN poinformowali w przesłanym PAP komunikacie.

Komputery kwantowe to maszyny liczące, które wykorzystywałyby do obliczeń prawa mechaniki kwantowej. Naukowcy mają nadzieję, że takie urządzenia będą znacznie szybsze i potężniejsze od obecnie używanych. Jednym z najpoważniejszych wyzwań stojących przed projektantami takich urządzeń jest problem dekoherencji. Układy pozwalające na wykonywanie kwantowych obliczeń są bowiem podatne są zakłócenia i „tracenie” zgromadzonych informacji.

Te układy to obiekty "kwantowe" takie jak: jądra atomowe, półprzewodnikowe kropki kwantowe, nadprzewodzące złącza tunelowe, kondensaty Bosego-Einsteina itp., proponowane jako "kwantowe" komórki pamięci przechowujące kubity i kwantowe bramki.

Dekoherencja, czyli "tracenie" informacji związane jest zarówno z kwantowymi fluktuacjami, jak i z nieuniknionym wpływem niewielkich zaburzeń związanych z niezbędnym do realizacji obliczeń kontaktem obiektów kwantowych ze światem zewnętrznym. W praktyce problem dekoherencji oznacza, że komputer kwantowy będzie się mylił w obliczeniach już po ułamku sekundy.

Spośród wielu proponowanych rozwiązań problemu dekoherencji, obok mniej lub bardziej skomplikowanych schematów korekcji błędów, najbardziej obiecującym wydaje się wykorzystanie tak zwanych niezmienników topologicznych, czyli właściwości fizycznych związanych z głęboko pojętymi symetriami, które pozostają niezmienione przy małych, lokalnych zaburzeniach danego systemu. Od lat trwają w związku z tym poszukiwania układów i obiektów fizycznych, które umożliwiałyby z jednej strony zbudowanie podstawowych „klocków” komputera kwantowego, kubitów pamięci i bramek kwantowych, zaś z drugiej, które posiadałyby wymagane atrybuty topologiczne.

Jedną z możliwych realizacji skalowalnego i technologicznie interesującego układu, w którym można pobudzić wzbudzenia topologiczne, zespół amerykańskich i polskich fizyków przedstawił w najnowszym numerze "Physical Review Letters" (https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.119.046803).

Autorzy zaproponowali oraz zademonstrowali doświadczalnie, że pojedyncza ścianka domenowa może być w kontrolowany sposób wytworzona w kwantowym ferromagnetyku Halla przy użyciu lokalnych bramek elektrostatycznych. Kwantowy ferromagnetyk Halla powstaje w dwuwymiarowym gazie elektronowym w sytuacji, kiedy dwa poziomy energetyczne elektronów o odwrotnym kierunku spinu przecinają się w obecności silnego pola magnetycznego, w obszarze kwantowego efektu Halla.

Wyniki polsko-amerykańskiej grupy naukowców stanowią ważny krok na drodze do stworzenia uniwersalnej, półprzewodnikowej platformy do prowadzenia obliczeń kwantowych, opartej na modyfikowalnej sieci jednowymiarowych kanałów helikalnych, w której operacje kwantowe będą realizowane poprzez proste przykładanie napięć do bramek.

Szczegółowe informacje na stronie IF PAN http://press.ifpan.edu.pl/news/17/08/IFPAN170816.html

PAP - Nauka w Polsce

lt/ ekr/