LÄBIMURRE ⟩ Inglise õpetlased: suutsime kvantbitti toatempratuuril elus hoida selle uue materjali abil

Skeem kuusnurkse boornitriidi ühe spinni uurimisest konfokaalse mikroskoopia abil. Foto: Eleanor Nichols / Cavendishi labor

Uued uuringud näitavad, et mitmeid kvanttehnoloogiaid saab täiustada tänu materjalile, mis on vaid mõne aatomi paksused ja see toob meid lähemale kvantvõrkude ja -andurite laialdasele kasutamisele.

Praegu nõuab kvantandmete salvestamine elektronide spinnomadustes, mida tuntakse kui spinnkoherentsust, väga spetsiifilist ja õrna loomuga laboriseadet. Seda ei saa teha ilma hoolikalt kontrollitud keskkonnata. Temperatuuri tuleb hoida üli-üli madalal ja piltlikult öeldes ülihellealt neid – näiteks mikrolainetega – kombata, et aru saada, millisesse seisu arvutusprotsessi käigus on kvantbitid jõudnud.

Rahvusvaheline teadlaste töörühm demonstreeris aga toatemperatuuril jälgitavat spinnkoherentsust, kasutades kihilist 2D materjali, mida nimetatakse heksagonaalseks boornitriidiks  (Hexagonal Boron Nitride ehk hBN).

«Tulemused näitavad, et kui kirjutame teatud kvantseisundi nende elektronide spinnidesse, siis säilitatakse see teave umbes ühe mikrosekundi ehk miljondiku sekundi jooksul, muutes selle süsteemi väga paljutõotavaks platvormiks kvantrakenduste jaoks,» ütleb Cambridge'i ülikooli füüsik Carmem Gilardoni.

«See võib tunduda lühike aeg, kuid huvitav on see, et see süsteem ei vaja erilisi tingimusi – see suudab salvestada spinnkvantseisundi isegi toatemperatuuril ja ilma suurte magnetite vajaduseta.»

hBN-i kihid püsivad koos materjali enda molekulaarjõudude abil, kuid defektid võivad tekkida materjali sünteesimise või töötlemise käigus. Need tekitavad pisikesed kohad, kuhu elektronid saavadki kinni jääda.

Teadlased suutsid mitte ainult kinni püüda ja jälgida elektrone hBN defektides, vaid ka neid manipuleerida valguse abil. See on esimene kord, kui selliseid katseid tehakse ümbritseval õhutemperatuuril.

Õpetlaste tehtud mõõtmised näitavad, et hBN kasutamine lubab stabiilset kvantandmete salvestust – kuigi kvantseisundeid saab praegu säilitada vaid murdosa sekundist, on märke, et seda saab lõpuks suurendada.

«Töö selle süsteemiga on näidanud meile uute materjalide fundamentaalsete uuringute vajadust,» ütleb Manchesteri ülikooli füüsik Hannah Stern Ühendkuningriigist.

«Mis puudutab hBN-süsteemi, siis suudame kui valdkond kasutada ergastatud olekute dünaamikat (excited state dynamics) teistes uutes materjaliplatvormides tulevaste kvanttehnoloogiate jaoks.»

Kvantseisundite ja kvantinfo stabiilsena hoidmine ning häirete eest kaitsmine on nende teadlaste jaoks jätkuv väljakutse, kes otsivad pidevalt uusi materjale ja tehnikaid, et parandada selliste arvutavate kvantsüsteemide stabiilsust.

Õpetlased uurivad nüüd viise, kuidas suurendada spinnsalvestuse aega (spin storage time) üle ühe miljondiku sekundi, parandada defektide usaldusväärsust ja nende kiiratava valguse kvaliteeti.

Kuna edusamme tehakse aeglaselt, kuid kindlalt, saame arendada täiustatud kvantandureid, mis on võimelised jälgima kõige väiksemaid muutusi Universumis – ja kvantvõrke ülikiireks ja ülikindlaks infovahetuseks.

«Iga uus paljutõotav süsteem laiendab saadaval olevate materjalide tööriistakasti ja iga uus samm selles suunas edendab kvanttehnoloogiate skaleeritavat rakendamist,» ütleb Stern.
Sellest avastusest on veel pikk maa ilmselt laua- või sülekvantarvutite juurde aga suund on laias laastus kätte näidatud: otsida tuleb kahemõõtmelisi materjale. Nii mõnigi võib endale käega otsa ette laksatada – no miks ma ise selle peal ei tulnud. Tõepoolest: kui ühte matejali mõõdet hoida mõne aatomi pakusena siis ju selles suunas on soojusliikumisel võimalik spinnolekuid ka sellevõrra vähem mõjutada. 

Uuring on avaldatud ajakirjas Nature Materials. 

Allikas: Sciencealert