Uzyskano kubity w temperaturze pokojowej

Jednym z najważniejszych wyzwań stojących przed naukowcami pracującymi nad kwantowymi komputerami jest stworzenie stabilnego kubitu (kwantowego bitu), który może istnieć w temperaturze pokojowej. Naukowcom z Uniwersytetu Harvarda udało się rozwiązać ten problem.

Dotychczas stworzenie stabilnego kubitu wymagało schwytania atomów bądź elektronów w pułapki i schłodzenie całości do temperatury bliskiej zeru absoutnemu.

Profesor Mikhail Lukin oraz jego współpracownicy Georg Kuscko, Peter Maurer i Christian Latta, użyli diamentów do uzyskania kubitów w temperaturze pokojowej.

Uczeni wykorzystali parę zanieczyszczeń w stworzonych przez siebie diamentach i przechowywali w nich kubity przez niemal dwie sekundy.

Uzyskaliśmy bezprecedensowy poziom kontroli. Mamy kubit w temperaturze pokojowej i możemy go mierzyć z dużą wydajnością oraz dokładnością. Możemy w nim kodować dane i przechowywać je przez relatywnie długi czas. Uważamy, że ograniczają nas jedynie problemy techniczne. Wygląda na to, że możliwe jest wydłużenie życia kubita do wielu godzin. Praktyczne wykorzystanie kubitów staje się możliwe - powiedział Lukin. Uczony uważa, że opracowany na Harvardzie system może być używany do przeprowadzenia bezpiecznych transakcji bankowych oraz kwantowej transmisji danych.

Nasze badania to ważny krok w kierunku stworzenia praktycznego kwantowego komputera. Po raz pierwszy mamy system, który jest stosunkowo prosty i pozwala na przechowywanie danych przez rozsądny czas. Mamy więc coś, co możemy udoskonalać - uważa Kucsko.

Już przed wieloma laty zauważono, że obecne w diamencie pary azot-wakancja (NV) zachowują się podobnie jak pojedynczy atom. Każda z tych par posiada spin, który można kontrolować i odczytywać za pomocą lasera. Jednak ich wykorzystanie do tworzenia kwantowych bitów nie było łatwe, gdyż takie kubity traciły swoje właściwości kwantowe w ciągu milionowych części sekundy. Zespół z Harvarda odkrył, że przyczyną ich utraty były zanieczyszczenia w diamencie.

Początkowo uczeni wykorzystywali diamenty stworzone w 99% z atomów węgla-12, którego atomy posiadają spin 0. Pozostałe 1% tworzyły atomy węgla-13, których spin wynosi -1/2. Okazało się, że to właśnie interakcja z tym spinem powoduje utratę właściwości kwantowych NV.

Lukin i jego zespół postanowili obrócić to na swoją korzyść. Spin węgla-13 to idealny kandydat na kubit, bo jest odizolowany. Jako, że wpływa nań mało czynników zewnętrznych ma stosunkowo długi czas koherencji. Oczywiście te same cechy, które czynią zen idealny kubit powodują, że trudno nim manipulować i go mierzyć - stwierdził naukowiec.

Uczeni wpadli na genialny pomysł, Zamiast próbować bezpośrednio mierzyć spin C13 postanowili wykorzystać do tego NV.

We współpracy z brytyjską firmą Element Six, specjalizującą się w produkcji sztucznych diamentów, stworzono diament zawierający 99,99% C12. Następnie bombardowano go azotem, dzięki czemu powstały centra NV, oddziałujące z C13. W wyniku takiej interakcji centra NV odzwierciedlają stan atomu węgla. Dzięki temu możliwe jest zakodowanie informacji w spinie C13 i wykorzystanie NV do jej odczytania.

Jednak zakodowanie i odczytanie informacji to dopiero pierwszy krok na drodze do komputerów kwantowych. Konieczne jest też przechowywanie jej przez odpowiednio długi czas.

Profesor Lukin wyjaśnia, że wymaga to wykorzystania dwustopniowego procesu. Najpierw za pomocą dużej ilości światła naukowcy zablokowali interakcję pomiędzy centrum NV a atomem C13. Następnie diament poddano działaniu fal radiowych o ściśle określonej częstotliwości, dzięki czemu znacząco zmniejszono oddziaływania pomiędzy C13 a pobliskimi atomami.

To pozwoliło na wydłużenie czasu przechowywania kubita z milisekund to niemal dwóch sekund.