Квантовые компьютеры способны решать определённые задачи экспоненциально быстрее классических, но для их практического применения необходимы дополнительные исследования. Квантовые компьютеры используют базовую единицу информации, называемую квантовыми битами (qubits), для вычислений — подобно тому, как классические компьютеры используют двоичную систему из 0 и 1, но с гораздо большими возможностями.
Однако для работы квантовых компьютеров требуется большое количество кубитов. Исследования квантовых точек — наноструктур с уникальными свойствами, которые позволяют им служить в качестве кубитов, — имеют решающее значение для преодоления этого препятствия.
Значимый шаг к технологиям квантовой обработки информации нового поколения
Исследователи из Передового института материаловедения (WPI-AIMR) при Тохокуском университете сделали значительный шаг к реализации технологий квантовой обработки информации нового поколения. Исследование опубликовано в [Scientific Reports].
Исследовательская группа успешно создала и электрически управляла тройными квантовыми точками в оксиде цинка (ZnO) — полупроводнике, известном своей хорошей спиновой когерентностью и сильными электронными корреляциями. Хотя ранее были продемонстрированы одиночные и двойные квантовые точки в ZnO, масштабирование до нескольких управляемых точек до сих пор оставалось сложной задачей.
Открытие уникального явления
Объединив несколько квантовых точек, исследователи могут изучать сложное квантовое поведение и разрабатывать потенциальные архитектуры для квантовых вычислений. Команда также наблюдала уникальное явление, известное как эффект квантовых клеточных автоматов (QCA), который возникает только в системах, состоящих из трёх и более связанных квантовых точек.
Исследовательская группа под руководством доцента Томохиро Оцука в WPI-AIMR и Научно-исследовательском институте электрической связи Тохокуского университета изготовила устройство на основе гетероструктуры ZnO, способное формировать три связанные квантовые точки с помощью точного контроля электрического поля.
Они подтвердили, что каждая квантовая точка достигла режима с несколькими электронами — ключевого условия для применения квантовых битов. Кроме того, анализируя характеристики электронного транспорта, исследователи обнаружили эффект QCA, при котором конфигурация заряда в одной квантовой точке влияет на соседние точки через электростатическую связь и вызывает одновременное движение двух электронов — ключевой механизм, предусмотренный для квантовых логических операций с низким энергопотреблением.
«Это исследование показывает, что ZnO может содержать несколько хорошо управляемых квантовых точек, где происходят сложные квантовые взаимодействия», — сказал Оцука. «Наш следующий шаг — изучить когерентный квантовый контроль и операции с кубитами в этих оксидных системах».
Новый путь в квантовых вычислениях
Этот тип исследований является важным шагом к преодолению основных проблем построения стабильных и масштабируемых квантовых систем. Если мы сможем этого достичь, квантовые компьютеры обещают произвести революцию в таких областях, как проектирование материалов, открытие лекарств и обеспечение безопасности данных.
Таким образом, это открытие не только расширяет спектр материалов, доступных для квантовых вычислений, но и приближает нас к практическим, энергоэффективным квантовым устройствам в будущем.
Предоставлено Тохокуским университетом.