Kvantový bit z vysokoteplotného supravodiča - Spotfolio GmbH; Spol
Vedci navrhujú materiál pre výkonné a kompaktné kvantové počítače
Jülich, február 2020. Mali vlastne iný cieľ, ale vedci z Jülichu, Münsteru a Moskvy našli spôsob, ktorým by kvantové počítače mohli vydláždiť cestu zo špecializovaných laboratórií a do širšej distribúcie. Kľúčom k tomu je materiál pre qubits, ktorý sa nemusí ochladzovať takmer na absolútnu nulu.
V budúcnosti by kvantové počítače mali byť schopné vyriešiť určité výpočty oveľa rýchlejšie ako najrýchlejšie superpočítače na svete. To môže byť užitočné pre širokú škálu problémov, od optimalizovaného riadenia dopravy a návrhu účinnejších materiálov až po výskum liekov pre nové lieky. V súčasnosti sú však kvantové počítače k dispozícii iba ako prototypy v laboratóriu alebo pre špeciálne aplikácie.
Na realizáciu výkonnejších kvantových počítačov sa paralelne uplatňujú rôzne technologické stratégie. Qubity, kúsky kvantových počítačov, môžu pozostávať z uviaznutých iónov alebo supravodivých obvodov. V obidvoch prípadoch sú potrebné zložité chladiace systémy, ktoré privádzajú qubits na teploty okolo -273 ° C, čo zodpovedá o niečo viac ako 0 Kelvinov. Sú drahé ako rodinný dom a zaberajú viac miesta ako veľká chladnička.
Vedci z Jülichu, Münsteru a Moskvy teraz zistili, že supravodivé qubity možno vyrábať nielen z bežných nízkoteplotných supravodičov, ale aj z vysokoteplotných supravodičov, čo znamená, že by postačovala oveľa lacnejšia technológia chladenia ako malý kufrík. Malo by byť tiež možné umiestniť na čip väčší počet takýchto qubitov ako doteraz a výpočtová rýchlosť, ktorú je možné dosiahnuť, by sa mala zvýšiť rádovo o rád. Posledná menovaná je okrem iného spôsobená dlhšou životnosťou excitovaného stavu najmenej 20 milisekúnd pri 5 Kelvinoch.
Vedci okolo Prof. Rafal Dunin-Borkowski, riaditeľ ústavov Jülich Ernst Ruska-Centrum a Peter Grünberg Institute, a jún-prof. DR. Carsten Schuck z univerzity v Münsteri o komponentoch pre detektory jednotlivých fotónov, pre ktoré by malo stačiť nižšie chladenie. Takéto detektory sú potrebné na šifrovanie údajov pomocou kvantovej kryptografie. Schuckova pracovná skupina má bohaté skúsenosti s vývojom jednofotónových detektorov založených na nízkoteplotných supravodičoch.
Základom nového detektora by mali byť nanodrôty vyrobené z oxidu ytria, bária a medi (YBCO), materiálu, ktorý je supravodivý aj pri relatívne teplej teplote - 181,15 ° C. Spoločnosť Jülich má dlhoročné skúsenosti s výrobou vysoko kvalitných tenkých vrstiev z tohto vysokoteplotného supravodiča a má jedinečné prístroje a metódy, z ktorých niektoré boli vyvinuté interne. Vedci z Jülichu pomocou zaostreného iónového lúča vyrezali z tenkých vrstiev požadovaný drôt do tvaru.
„Experimentovali sme s nanodrátmi rôznych šírok, nechali sme ich zasiahnuť fotóny a zmerali sme odpor, ktorý tento vytvára v supravodiči,“ uvádza fyzik Dr. Matvey Lyatti, ktorý projekt pôvodne skúmal v Münsteri a neskôr v Jülichu. Na tomto princípe je založená detekcia fotónov. „Ale výsledky pri šírkach pod 100 nanometrov nesplnili naše očakávania.“
Ako sa ukázalo, kvantové efekty sa objavujú pri 12 - 13 Kelvinoch: Supravodivý nanodrôt prijíma iba vybrané energetické stavy. Tieto by sa mohli použiť na kódovanie informácií. Pri bežných kvantových bitoch sú potrebné teploty stonásobne nižšie, ktoré sa dajú dosiahnuť oveľa ťažšie.
„Naše výsledky boli také prekvapivé, že sme tomu sami ťažko uverili,“ pripomína Jülichov fyzik Dr. Irina Gundareva. Merania ale nakoniec presvedčili pôvodne skeptických recenzentov o zverejnení výsledkov v Nature Communications.
Vedci budú pokračovať v práci na nanodrôtoch YBCO a plánujú v nasledujúcich rokoch vývoj supravodivých kvantových obvodov založených na nanodrôtoch s konečným cieľom umožniť vytvorenie kompaktného stolového kvantového počítača. Ďalej sledujú svoj cieľ nových supravodivých detektorov s jedným fotónom, ktoré môžu byť chladené kompaktnými kryochladičmi. Skúmané YBCO nanodrôty sa tiež považovali za vhodné na to a vykazovali oproti súčasnej technológii významné výhody, pokiaľ ide o potrebnú teplotu chladenia a časové rozlíšenie signálu.
Ďalšie informácie: https://www.fz-juelich.de/