Diamanty mohou znamenat předěl pro nasazení kvantových počítačů

Díky diamantům padla další z mnoha překážek, které stojí v cestě vývoji skutečných kvantových superpočítačů. Jak moc se vývoj posunul a o co přesně jde?

Diamanty mohou znamenat předěl pro nasazení kvantových počítačů


V jádru kvantového počítání stojí schopnost kvantových bitů, tzv. qubitů, stavebních jednotek kvantových počítačů, být v několika různých fyzických stavech najednou: tedy např. být zároveň 0 i 1. Tomu se říká kvantová superpozice, a jde právě o ten princip, jenž dává kvantovým superpočítačům jejich obrovský potenciál.

Udržovat superpozici je v praxi velice těžké, ale nyní vědci z MIT přišli na nový způsob, jak se s tímto problémem vypořádat – a to za pomoci umělých diamantů. Po dalším zkoumání by to v praxi opět mohlo o krok přiblížit funkční kvantové počítače.

Stabilita celého kvantového ekosystému je velkým problémem kvantového počítání. Ve většině ostatních oborech je stabilita zajišťována skrze zpětnou vazbu: Vědci srovnají, jak vypadá stav, kterého chtějí dosáhnout, s tím, jak vypadá stav současný, a pak provedou úpravy nutné k tomu, aby systém správně fungoval.

Ve kvantovém světě je však ten problém, že popsané měření – nutná část procesu udržení stabilizace – zároveň narušuje superpozici; Tudíž se výzkumníci musí obejit bez dat, na která by se jindy spoléhali.

Nová studie však popisuje způsob získání zpětné vazby a udržení stability bez toho, aby bylo nutné provádět měření. Místo toho využívá speciální střed diamantu, ve kterém chybí atom dusíku.

„Místo klasického řadiče, určeného k implementaci zpětné vazby, nyní používáme kvantový řadič,“ popisuje Paola Copellaro, docent jaderné vědy a strojírenství na MIT. „Protože řadič je kvantový, nepotřebujeme měření k tomu, abychom věděli, co se děje,“ pokračuje.

Pravý diamant se skládá z atomů uhlíku, poskládaných v klasické mřížkové struktuře. Pokud uhlíkové jádro v mřížce chybí, to místo, kde by za běžných okolností bylo, nazýváme to v angličtině jako „vacancy spot“. Pokud atom dusíku nahradí atom uhlíku, který sousedí s chybějícím atomem, jde o tzv. „nitrogen-vacancy center“, zkráceně NV střed.

Pokud je takový NV střed vystaven silnému magnetickému poli – například pomocí magnetu, trvale připevněného nad diamentem – pak elektrický spin (kvantová vlastnost elementárních částic) NV centra může být níž, výš nebo kvantovou superpozicí obou. V tom tkví užitečnost diamantů pro kvantovou mechaniku i samotné kvantové počítače.

Jak to funguje: Elektrický spin NV středu se nejprve dostane do superpozice pomocí mikrovln. Následuje vlna radiofrekvenčního záření, které dostane atom dusíku do specifického spinového stavu.  Druhá, slabší vlna mikrovln pak „sváže“ spin atomu dusíku a NV středu, takže se stanou jeden na druhém závislí.

V tomto bodě by již NV qubit mohl „pracovat“ společně s dalšími qubity ve výpočetní technice, ale výzkumníci se prozatím pustili do dalších testů, aby vyloučili potenciální omyly.

Když to shrneme, nový systém by umožnil quantovému bitu, tedy qubitu, NV středu vydržet v superpozici asi 1000krát déle, než by tomu tak bylo za jiných okolností. To opět mílovými kroky přibližuje skutečný vznik kvantových počítačů.

Na obrázku jeden z mála dnes provozovaných prototypů kvantových počítačů - D-Wave 2X.

Úvodní foto: Martyn Williams, IDG US










Komentáře