W pracowniach Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego (WF UW) naukowcy opracowali metody zapisu i odczytu informacji w pojedynczym atomie manganu. Przeprowadzony eksperyment może przyczynić się do budowy komputerów o ogromnych mocach obliczeniowych.
Jak informuje Narodowe Laboratorium Technologii Kwantowych (NLTK) – w skład którego wchodzi m.in. UW – współczesne komputery stają się coraz szybsze dzięki miniaturyzacji: liczba tranzystorów w komputerowych procesorach podwaja się mniej więcej co półtora roku. Miniaturyzacji nie można jednak kontynuować w nieskończoność, na przeszkodzie staje ziarnista, atomowa struktura materii.
Prace prowadzone przez naukowców z WF UW wykazały, że informację kwantową można z powodzeniem zapisać w pojedynczym atomie manganu, a następnie przetworzyć w nim i odczytać.
„Dotarliśmy do fizycznego limitu rozmiarów elementów przetwarzających informację. Co więcej, przechowujemy ją za pomocą efektów kwantowych, które w przyszłości będzie można wykorzystać do budowy komputerów nowego typu, o wielkich mocach obliczeniowych” – informuje prof. Jan Gaj z Wydziału Fizyki UW.
Współczesne komputery operują na klasycznych bitach. Każdy taki bit może przyjmować tylko dwa stany, którym przypisuje się umowne wartości „0” i „1”. Komputer kwantowy będzie zawierał kubity, czyli bity kwantowe, które mogą znajdować się także w mieszaninie swych dwóch stanów (superpozycji).
Jak zapewniają specjaliści z NLTK, mangan oferuje jeszcze ciekawsze możliwości. „Do przechowania informacji w atomie manganu wykorzystujemy jego spin, czyli cechę kwantową związaną z wirowaniem” – tłumaczy prof. Gaj.
W jednym atomie manganu daje się zapisać więcej niż dwa, lecz mniej niż trzy bity informacji. Podobnie jak zwykły kubit, atom manganu może znajdować się w superpozycji swoich stanów. Gdyby taki stan udało się rozszerzyć na grupę atomów manganu, każdy kolejny atom zwielokrotniałby możliwości obliczeniowe komputera kwantowego.
Jak podaje NLTK, komputer kwantowy z 10 atomów manganu w każdym kroku przetwarzałby ponad 60 milionów stanów, a zbudowany ze zwykłych kubitów zaledwie nieco ponad tysiąc. W tym czasie klasyczny komputer przetworzyłby tylko jeden stan z 1024 możliwych.
By dobrze przygotować się do doświadczeń na pojedynczych atomach warszawscy naukowcy najpierw wyhodowali tzw. kropki kwantowe, czyli specjalne, powstające na drodze samoorganizacji struktury półprzewodnikowe wielkości miliardowych części metra. Są one wykonane z tellurku kadmu, otoczonego tellurkiem cynku. Kropki kwantowe są niekiedy nazywane „sztucznymi atomami”, ponieważ uwięzione w nich elektrony emitują światło podobnie jak w atomach, w postaci fotonów o ściśle określonych energiach.
Kropki kwantowe zostały wyhodowane na płytce półprzewodnika przez dr. Piotra Wojnara z grupy prof. Jacka Kossuta z Instytutu Fizyki Polskiej Akademii Nauk w Warszawie. Na rosnące w próżni kropki kwantowe dr Wojnar skierował tak słabą wiązkę atomów manganu, by na jak największej liczbie kropek osadzić po jednym atomie. Tak przygotowana płytka trafiła na Wydział Fizyki UW, gdzie naukowcy umieścili ją w optycznym układzie pomiarowym. Za jego pomocą można w kilka godzin odszukać kropki z pojedynczymi atomami manganu.
Jak informuje NLTK, na pojedynczej płytce półprzewodnikowej powstaje wiele kropek kwantowych. Składają się one z tysięcy atomów, w każdym przypadku rozmieszczonych nieco inaczej. Każda kropka emituje fotony o energiach charakterystycznych tylko dla siebie. Efekt ten jest niezwykle istotny, bo pozwala fizykom wybrać jedną, konkretną kropkę kwantową i nawiązać z nią kontakt. Emitowane przez kropkę fotony niosą informację o stanie uwięzionych w niej elektronów.
„Jeśli elektrony w kropce kwantowej oddziaływały z atomem manganu, w emitowanym świetle pojawi się sześć charakterystycznych pików odpowiadających sześciu stanom spinowym manganu. Gdy jeden z pików dominuje oznacza to, że atom manganu najczęściej znajduje się w odpowiadającym mu stanie” – podaje NLTK.
Subtelniejszych metod wymaga przełączenie manganu do wybranego stanu spinowego. W tym celu na płytce półprzewodnikowej naukowcy z WF UW wyszukują dwie kropki, które powstały tak blisko siebie, że tworzą parę. Za pomocą światła laserowego można wówczas „wrzucić” elektron o określonym spinie do jednej kropki, skąd przetuneluje do drugiej, z atomem manganu, i zacznie z nim oddziaływać. Powtarzając ten proces wielokrotnie, fizycy potrafią wprowadzić atom manganu w wybrany stan spinowy. W nowym stanie atom przebywa przez mniej więcej jedną tysięczną sekundy.
„Milisekunda to niewiele, trzeba jednak pamiętać, że potrafimy w tym czasie zmienić stan atomu nawet kilkaset tysięcy razy. To wystarczy, aby przeprowadzić cały szereg operacji” – zaznacza prof. Gaj.
Badania będzie można prowadzić z jeszcze większą precyzją dzięki wyposażeniu dostarczanemu przez NLTK: nowym femtosekundowym laserom impulsowym, nadprzewodzącemu magnesowi wytwarzającemu pole magnetyczne silniejsze od generowanego przez magnesy działające w tunelu akceleratora LHC i strojonemu oscylatorowi optycznemu, za pomocą którego precyzyjnie dopasowuje się częstotliwość światła laserowego do częstotliwości drgań elektronu w danej kropce kwantowej.
„Dzięki tak nowoczesnej aparaturze będziemy mogli kontynuować prace badawcze na najwyższym poziomie i przeprowadzać doświadczenia, których przed nami nie zrobił nikt na świecie” – podkreśla prof. Gaj.
***
Narodowe Laboratorium Technologii Kwantowych to konsorcjum złożone z wiodących w kraju jednostek naukowych zajmujących się badaniami w zakresie technologii kwantowych, w tym informatyki kwantowej, inżynierii kwantowej oraz dziedzin pokrewnych. W skład NLTK wchodzą: Uniwersytet Warszawski, Politechnika Wrocławska, Instytut Fizyki PAN, Uniwersytet Mikołaja Kopernika w Toruniu, Uniwersytet Jagielloński, Uniwersytet Gdański, Uniwersytet Łódzki i Centrum Fizyki Teoretycznej PAN.
W pięciu z ośmiu instytucji tworzących konsorcjum NLTK (UW, PWr, IF PAN, UMK, UJ) jest realizowany projekt o tej samej nazwie, którego celem jest utworzenie i wyposażenie członkowskich jednostek naukowych w sprzęt niezbędny do prowadzenia wspólnych badań naukowych oraz badawczo-rozwojowych na światowym poziomie. EKR
