Sciencemag.cz
Doporučujeme
Nově navržený umělý atom je implementován do křemíku. Má podobu disku ve 2D, kde elektrony obíhají v rovině kolem středu tvořeného zde elektrodou. Tak jako v jiných umělých atomech (kvantových tečkách) i zde platí, že existují odstupňované energetické hladiny, které elektrony obsahují postupně.
Jeden z autorů studie, Andrew Dzurak z University of New South Wales uvádí, že první umělý atom tohoto typu v křemíku dokázali připravit již v roce 2013. V roce 2015 zveřejnila tato výzkumná skupina i návrh architektury kvantových čipů, která by byla kompatibilní se současnou technologií CMOS (Complementary Metal–Oxide–Semiconductor). Tato verze kvantových počítačů má výhodu v tom, že samotné qubity by se daly snadněji integrovat s již existujícími elektronickými prvky pro ovládání systému/čtení a zápis dat (poznámka: i když stále zůstává třeba problém s teplotou).
Ve studii publikované v Nature Communications nyní vědci docházejí k závěru, že nově navržený systém by mohl představovat velmi robustní (k chybám/šumu odolnou) reprezentaci qubitů v kvantovém počítači. Ve srovnání s tím fungují qubity tvořené jediným elektronem velmi nespolehlivě.
Základem nového umělého atomu je kvantová tečka o průměru asi 10 nanometrů. Kovová elektroda dodává napětí (kladný náboj uprostřed) a tlačí do tečky elektrony z okolního křemíku. Jak se zvyšuje napětí, elektrony obsazují postupně další pozice/hladiny podle stoupající energie – podobně jako v normálním atomu. Centrální elektroda s kladným nábojem je od samotného křemíku oddělena izolační vrstvou oxidu křemičitého.
Výzkumníci se speciálně zaměřili na umělé atomy, které jsou pomocí napětí nastaveny tak, že mají v poslední vrstvě jediný elektron – tedy obdobu vodíku a alkalických kovů. Právě tento poslední „valenční“ elektron bude tvořit základ kvantového bitu.
Implementace elektronových qubitů do křemíku až dosud narážela na to, že různé nepravidelnosti na atomové úrovni chování elektronů narušovaly. V kvantové tečce ale mají ale spodní vrstvy elektronů působit stabilizačně, jako pevný podklad. Elektron v nejvyšší slupce pak už není tolik ovlivňován šumem z okolního prostředí a funguje tak, jak potřebujeme – jeho hodnotu můžeme snadno nastavovat a číst, ale sama od sebe se nemění (respektive se mění pouze příslušným kvantovým zapletením s dalším qubitem). Samotná informace bude, tak jako v jiných kvantových počítačích tohoto typu, kódována jako spin příslušného valenčního elektronu; elektrony v nižších vrstvách mají spin i v umělém atomu napevno určen Pauliho vylučovacím principem, jeden atom/umělá tečka zde proto nemůže odpovídat více než jednomu qubitu; celkový spin zcela zaplněné vrstvy je nulový.
Další výzkum se má zaměřit na kombinaci více umělých atomů do „molekul“. Ty by pak mohly hrát roli multiqubitových logických hradel.
Nature Communications (2020). DOI: 10.1038/s41467-019-14053-w
University of New South Wales/Phys.org
