Komputery kwantowe mają ogromny potencjał rozwiązywania złożonych problemów, z którymi nie radzą sobie nawet najpotężniejsze klasyczne komputery. Wykorzystują bity kwantowe (kubity) — podobne do zer i jedynek w obliczeniach klasycznych, ale ze znacznie większą elastycznością — do przetwarzania informacji z wykładniczo większą szybkością. Jednak zbudowanie naprawdę funkcjonalnego komputera kwantowego wymaga ogromnej liczby stabilnych i sterowalnych kubitów.
To tutaj na pierwszy plan wysuwają się badania nad kropkami kwantowymi. Te nanostruktury mają unikalne właściwości, które czynią je idealnymi kandydatami na kubity. Ostatnie przełomowe odkrycia skupiają się na tworzeniu i kontrolowaniu wielu kropek kwantowych jednocześnie, ponieważ otwiera to drzwi do badania złożonych interakcji kwantowych potrzebnych w zaawansowanych obliczeniach.
Triumf trójek tlenku cynku
Naukowcy z Instytutu Zaawansowanych Badań Materiałów Uniwersytetu Tohoku (WPI-AIMR) osiągnęli znaczący kamień milowy, pomyślnie tworząc i elektrycznie kontrolując potrójne kropki kwantowe wewnątrz tlenku cynku (ZnO). To osiągnięcie, opisane w Scientific Reports, stanowi duży krok naprzód, ponieważ chociaż wcześniej wykazano pojedyncze i podwójne kropki kwantowe w ZnO, manipulowanie trzema lub większą liczbą wzajemnie połączonych kropek pozostaje ogromnym wyzwaniem.
Atrakcyjność ZnO leży nie tylko w jego przydatności do wytwarzania kropek kwantowych, ale także w jego wrodzonych właściwościach. ZnO to półprzewodnik znany z silnej korelacji elektronów i dobrej spójności spinowej – cech kluczowych dla niezawodnego działania kubitu.
Odkrywanie zjawisk kwantowych
Poza prostą kontrolą badacze zaobserwowali fascynujące zjawisko znane jako efekt kwantowego automatu komórkowego (QCA) w swoim układzie trzech kropek kwantowych. Efekt ten, unikalny tylko dla systemów z trzema lub większą liczbą sprzężonych kropek kwantowych, podkreśla pojawienie się nowych zachowań w przypadku interakcji wielu kubitów. W tym przypadku konfiguracja ładunku w jednej kropce kwantowej bezpośrednio wpłynęła na sąsiednie kropki poprzez sprzężenie elektrostatyczne, powodując zsynchronizowany ruch dwóch elektronów. Ten „efekt domina” ma istotne implikacje dla projektowania energooszczędnych operacji logiki kwantowej, stanowiących podstawowy element obliczeń kwantowych.
Droga do skalowalnych komputerów kwantowych
Odkrycia te stanowią decydujący krok w kierunku praktycznych komputerów kwantowych. Znany już z codziennych zastosowań w filtrach przeciwsłonecznych i przezroczystej elektronice, ZnO wysuwa się obecnie na pierwszy plan jako potencjalna platforma do tworzenia stabilnych i skalowalnych systemów kwantowych. Przyszłe badania będą skupiać się na precyzyjnym kontrolowaniu interakcji kwantowych w ZnO, aby umożliwić spójne operacje na kubitach, czyli ucząc kubity „rozmawiania” ze sobą i wykonywania obliczeń.
Jeśli naukowcom uda się to osiągnąć, komputery kwantowe mogą zrewolucjonizować takie dziedziny, jak projektowanie materiałów, odkrywanie leków i kryptografia, rozwiązując problemy, których nie są w stanie rozwiązać nawet nasze najpotężniejsze klasyczne maszyny.
