Ένα τρικ 'ηλεκτρονιακού σπιν' προωθεί τον κβαντικό υπολογισμό

Πηγή: NewScientist, 16 Αυγούστου 2006

Ένα νέο τσιπ πυριτίου ικανό να διαχειριστεί το σπιν ενός απλού ηλεκτρονίου, θα μπορούσε τελικά να επιτρέψει ώστε να κατασκευαστούν οι φουτουριστικοί κβαντικοί υπολογιστές χρησιμοποιώντας τη συμβατική ηλεκτρονική τεχνολογία, λένε ερευνητές.

Ένα κβαντικό μπιτ, ή "qubit", είναι ανάλογο με τα bits που χρησιμοποιούνται στους συμβατικούς υπολογιστές. Αλλά, αντί της απλής εναλλαγής μεταξύ δύο καταστάσεων, που αντιπροσωπεύονται με το "0" και "1", η κβαντική φυσική επιτρέπει σε ένα qubit να υπάρχει σε περισσότερες από μία καταστάσεις ταυτόχρονα, έως ότου μετρηθεί η κατάσταση του.

Αυτό σημαίνει ότι οι κβαντικοί υπολογιστές μπορούν ουσιαστικά να εκτελέσουν πολλαπλάσιους υπολογισμούς κάθε φορά, δίνοντας τους τη δυνατότητα να είναι εκθετικά ισχυρότεροι από τους συμβατικούς υπολογιστές.

Ερευνητές είχαν αναπτύξει προηγουμένως στοιχειώδεις κβαντικούς υπολογιστές εκμεταλλευόμενοι εξωτικά φαινόμενα που παράγουν qubits. Δύο από τις περιπλοκότερες μεθόδους περιλαμβάνουν τη χρησιμοποίηση ιόντων που παγιδεύονται στα μαγνητικά πεδία και ηλεκτρόνια σε υπεραγωγικά κυκλώματα. Εντούτοις, και οι δύο προσεγγίσεις είναι πολύ πιο περίπλοκες από τα τσιπ που τροφοδοτούν τους συμβατικούς υπολογιστές.

Ένα ηλεκτρονικό μικροσκόπιο παρουσιάζει τη δομή του κυκλώματος

Σημαντικό πείραμα

Ερευνητές έχουν δημιουργήσει επίσης qubits από την 'πάνω' ή 'κάτω' κατάσταση του σπιν των ηλεκτρονίων σε κβαντικές κουκίδες. Αλλά δεν είχαν την ικανότητα να ελέγξουν τις καταστάσεις αυτές αρκετά καλά για να εκτελέσουν υπολογισμούς χρησιμοποιώντας αυτές. Μια ομάδα όμως στο Delft Πανεπιστήμιο της Τεχνολογίας στην Ολλανδία έχει δημιουργήσει τώρα μια συσκευή που μπορεί να χειριστεί αυτές τις καταστάσεις χρησιμοποιώντας τη συμβατική τεχνολογία επεξεργασίας μικροτσίπ.

"Είναι ένα σημαντικό πείραμα", λέει ο Guido Burkard, ένας φυσικός στο πανεπιστήμιο της Βασιλείας στην Ελβετία, που δεν συμμετείχε στην έρευνα. "Το σημαντικότερο όφελος από ένα qubit που χρησιμοποιεί αυτήν την μέθοδο είναι ότι φτιάχνεται με την υπάρχουσα τεχνολογία ημιαγωγών."

Η συσκευή της ολλανδικής ομάδας κατασκευάστηκε χρησιμοποιώντας τη συμβατική λιθογραφία μικροτσίπ. Αποτελείται από δύο ηλεκτρόδια που  τάση σε δύο ημιαγωγικές κβαντικές κουκίδες - τμήματα αρσενίδιου του γαλλίου το κάθε ένα πλάτους 100 nm - για να σχηματίσουν ένα απλό κύκλωμα.

Η τάση στα ηλεκτρόδια αναγκάζει τα ηλεκτρόνια να αναπηδήσουν μεταξύ των κουκίδων. Όμως, κάθε κουκίδα μπορεί να εφοδιάσει  μόνο ένα ηλεκτρόνιο κάθε φορά και ηλεκτρόνια που ταιριάζουν οι καταστάσεις των σπιν τους δεν μπορούν να πηδήσουν στην ίδια κουκίδα.

Αυτό εξαναγκάζει δύο ηλεκτρόνια, με διαφορετικές καταστάσεις σπιν, να στριμωχτούν - ένα σε κάθε κουκίδα. Οι ερευνητές απομόνωσαν έπειτα τις κουκίδες από το κύκλωμα και χρησιμοποίησαν ένα ηλεκτρικό πεδίο για να αλλάξουν το σπιν του ηλεκτρονίου στην πρώτη κουκίδα. Έτσι και ξανασυνδεθεί πίσω στο κύκλωμα, θα ρέει ρεύμα μόνο εάν το πρώτο ηλεκτρόνιο έχει μεταπηδήσει σε μια διαφορετική κατάσταση σπιν με το δεύτερο, αποδεικνύοντας έτσι ότι έχει μεταστραφεί.

Ο Burkard λέει ότι τα qubits με ηλεκτρονιακό σπιν θα μπορούσαν τώρα να προφθάσουν πολύ γρήγορα τις συνηθισμένες μεθόδους κβαντικού υπολογισμού. "Δεν βλέπω κανένα εμπόδιο για την πρώτη εφαρμογή των μικρών κβαντικών αλγορίθμων χρησιμοποιώντας τα qubits με ηλεκτρονιακό σπιν", συμπληρώνει.

Περιοδικό αναφοράς Nature