Vývoj kvantových počítačov je jednou z najvzrušujúcejších oblastí modernej vedy, ktorá sľubuje výkon neuveriteľne presahujúci možnosti dnešných klasických počítačov. Jedným z najväčších problémov však zostáva, ako vytvoriť a čítať základnú jednotku informácie – takzvaný kubit. Nový výskum naznačuje, že riešením by mohli byť elektróny, ktoré „plávajú“ nad povrchom tekutého hélia – extrémne čistého prostredia s minimom rušivých vplyvov.
Myšlienka použiť elektróny nad tekutým héliom ako kubity nie je úplne nová, no doteraz bola hlavná výzva v tom, ako spoľahlivo čítať informácie, ktoré takéto kubity obsahujú. Nová štúdia zverejnená tímom vedcov prináša sľubný prelom, ktorý by mohol otvoriť cestu k praktickému použitiu tejto technológie.
Elektróny umiestnené nad povrchom tekutého hélia tvoria veľmi čistý a pokojný fyzikálny systém. Hélium je inertný plyn, ktorý pri veľmi nízkych teplotách zostáva v tekutom stave bez nečistôt alebo vibrácií, ktoré by inak ovplyvňovali chovanie elektrónov. V takomto prostredí môžu elektróny existovať takmer bez rušenia, čo je pre kvantové kubity veľmi žiadané.
Samotná existencia kubitu nestačí – vedci musia byť schopní prečítať informácie uložené v jeho kvantovom stave. U elektrónov nad tekutým héliom je to výzva, pretože priame meranie spinov elektrónov je veľmi ťažké kvôli ich slabému magnetickému momentu. Namiesto priameho merania sa tím zameral na meranie zmien v tzv. kvantovej kapacite, ktorá sa mení, keď elektrón prechádza medzi rôznymi energetickými stavmi.
Mikrovlny hrávajú v tejto novej metóde kľúčovú úlohu. Pri interakcii mikrovlnného poľa s elektrónmi nad héliom dochádza k ich excitácii do vyšších energetických úrovní, známych ako Rydbergove stavy. Tieto prechody sa prejavujú zmenou v kapacitnom správaní systému, ktorú je možné pomocou citlivých obvodov detegovať.
V experimentoch vedci použili obrovský počet elektrónov – približne 10 miliónov nad povrchom helia. Pomocou mikrovĺn dokázali detegovať zmeny v kvantovej kapacite, keď sa elektróny dostali do vyšších energetických stavov. To naznačuje, že podobný efekt by sa mal prejaviť aj pri jednom elektróne, ak by systém bol dostatočne zväčšený a optimalizovaný pre jednu časticu.
Táto metóda poskytuje potenciálnu cestu, ako spoľahlivo čítať údaje z jedného elektrónového kubitu. Ak by sa táto technika osvedčila v menšom meradle, mohla by viesť k novému typu kvantových čipov, ktoré by využívali prostredie tekutého hélia ako extrémne čisté medium – potenciálne s dlhšou koherenciou než súčasné prístupy založené na supravodivosti či iontovom pasení.
Aj keď výsledky sú sľubné, zostáva niekoľko technických otázok. Systém, ktorý dokáže detegovať signál z miliónov elektrónov, musí byť redukovaný na veľkosť, kde jeden jediný elektrón prezentuje čitateľný signál. To si vyžaduje extrémne precíznu mikro- a nano-fabrikáciu a veľmi stabilné kryogénne prostredie, v ktorom tekuté hélium zostáva pri teplote len pár stupňov nad absolútnou nulou.
Táto práca je len jednou z viacerých snáh vedcov skúmať kvantové počítače pomocou elektrónov na héliu. Ďalšie štúdie ukazujú, že takéto elektróny možno spojiť s mikrovlnnými rezonátormi, ktoré umožnia ešte presnejšiu kontrolu a čítanie ich stavov.
Ak sa vedcom podarí prekonať technické prekážky, môže tento prístup viesť k novým typom kvantových počítačov, ktoré budú stabilnejšie a menej náchylné na rušenie. To by znamenalo krok bližšie k praktickému a škálovateľnému kvantovému spracovaniu informácií, ktoré by mohlo transformovať oblasti, ako je kryptografia, optimalizácia či modelovanie komplexných systémov.
Zdroje inšpirácie:
https://phys.org
https://www.nature.com
https://www.osti.gov
