Od komputerów kwantowych, które miałyby taką użyteczność, jak zwykłe komputery, wciąż dzieli nas daleka droga. "Zbliżamy się jednak do wskazania odpowiedniego układu kwantowego w demonstracjach laboratoryjnych" - mówi PAP prof. Paweł Machnikowski z Wydziału Podstawowych Problemów Techniki na Politechnice Wrocławskiej.

Wśród dziedzin, których rozwój może przysłużyć się realizacji wizji komputera kwantowego, często wymienia się spintronikę – technikę kodowania i przetwarzania informacji alternatywną w stosunku do dzisiejszej elektroniki. O ile w klasycznej elektronice do zapisu danych wykorzystujemy ładunek elektronu, o tyle spintronika korzysta z innej fundamentalnej właściwości elektronu, czyli spinu.

Jak tłumaczy prof. Machnikowski, spin można sobie wyobrazić jako przyczepioną do elektronu strzałkę. "Spin tym się różni od klasycznego bitu, który może mieć wartość 0 lub 1, że ta strzałeczka może być obrócona w dowolną stronę - liczba możliwych stanów jest więc tutaj znacznie większa" - opisuje. Aby jednak wykorzystać te stany w komputerach, trzeba opracować zaawansowane metody ich przełączania.

"Następnym krokiem po zapisaniu informacji w spinach jest znalezienie sposobu, aby tymi spinami operować na poziomie kwantowym - opowiada rozmówca PAP. - Chodzi tutaj o kontrolowanie pojedynczej cząstki: odizolowanie jej od otoczenia i sterowanie jej stanem. Gdyby udało nam się zapisać bit danych w pamięci bazującej na pojedynczym spinie - byłaby to fizyczna granica gęstości zapisu informacji, nie dałoby się już wygenerować gęstszego zapisu danych".

Badania prowadzone przez prof. Machnikowskiego dotyczą struktur nazywanych kropkami kwantowymi. "Za tym określeniem kryją się małe struktury półprzewodnikowe. Można w nich złapać nośniki ładunków, czyli elektrony" - mówi fizyk. To z kolei otwiera możliwość manipulacji różnymi własnościami schwytanego elektronu, takimi jak choćby jego spin.

Istnieją różne sposoby kontrolowania spinów cząsteczek. W swoich badaniach prof. Machnikowski chce wykorzystać metody optyczne. Oznacza to, że badane struktury będą oświetlane światłem laserowym w taki sposób, aby przejawiały się ich własności kwantowe. "Dzięki temu możemy w przyszłości dotrzeć do opracowania użytkowej informatyki kwantowej" - stwierdza prof. Machnikowski. Wyjaśnia, że metody optyczne są z definicji bardzo szybkie: impulsy światła mogą mieć czasy trwania na poziomie około pikosekundy (jednej bilionowej części sekundy), co pozwala nam niezwykle szybko przełączać stany spinów. "Jeżeli da się to zrobić kwantowo koherentnie, to na takich układach będzie można zrealizować komputer kwantowy" - dodaje naukowiec.

Ale skoro już tyle o nich wiemy, to dlaczego nie mamy jeszcze na swoich biurkach komputerów kwantowych? "Główna trudność wynika z tego, że pojedynczy układ kwantowy jest bardzo delikatny i wrażliwy na wpływ otoczenia - tłumaczy badacz. - Przeszkadzać mogą choćby inne znajdujące się w otoczeniu spiny, np. jąder atomowych w półprzewodniku. Może dojść do takiego oddziaływania tych spinów, w wyniku którego będą się ona nawzajem odwracać - co zniszczy zapisaną w nich informację".

Nie wiadomo też jeszcze do końca, na czym polegają procesy, przez które otoczenie wpływa na spiny. "Wiemy z grubsza, jakie są to czynniki, jednak dynamika tych procesów nie jest jeszcze dobrze zbadana. Właśnie tym chcemy się zająć: badać oddziaływania spinów z otoczeniem i to, w jaki sposób można je chronić przed wpływem z zewnątrz" - zdradza rozmówca PAP.

W ramach projektu polscy naukowcy współpracują z fizykami z Instytutu Schottky\'ego na Politechnice Monachijskiej. "Potrafią oni wytworzyć takie struktury, w których można umieścić dokładnie jeden elektron. Za pomocą światła laserowego są również w stanie zainicjować spin - czyli spowodować, że będzie on początkowo w określonym stanie - jak i odczytywać jego stan" - tłumaczy prof. Machnikowski.

Polscy fizycy pracować będą nad teoretyczną częścią projektu. Eksperymenty będą natomiast przeprowadzane w Instytucie Schottky\'ego. Jak podkreśla rozmówca PAP, niemiecka grupa badawcza jest jedną z kilku grup na świecie, które mają możliwość przeprowadzania eksperymentów na pojedynczej kropce kwantowej, jak i na parze sprzężonych kropek, których stanem można sterować zarówno optycznie, jak i poprzez precyzyjne przykładanie pól elektrycznych.

Projekt "Kubity spinowe w sztucznych molekułach" jest realizowany w ramach polsko-niemieckiego grantu Beethoven, z polskiej strony finansowanego przez Narodowe Centrum Nauki.

PAP - Nauka w Polsce

autor: Katarzyna Florencka

kflo/ agt/