Kvantový počítač je zase o krok blíž

Tradiční počítače se již blíží limitu svého výkonu. Pro nástup nových technologií je potřeba zvýšit jejich výkon přechodem na kvantové počítače. Ty využívají takzvaných qubitů, které fungují na principu pravděpodobnosti. Mohou nabývat hodnot 0, 1 a všech mezi tím. Qubity navíc znají kvantové stavy okolních sousedů, a můžou tak pracovat paralelně a mnohem rychleji.

Dlouho se bádalo nad tím, jak vytvořit qubit, který bude funkční i bez teploty blízké absolutní nule, vakua nebo komplexních laserových systémů. To se podařilo díky specifickým vlastnostem diamantu, které pomáhají chránit před šumem a teplotními vibracemi. Qubit v syntetickém diamantu se skládá z atomu dusíku a prázdného místa neboli vakance, které nahrazují dva sousední atomy uhlíku v diamantové mřížce. Volný elektron lokalizovaný na vakanci pak slouží jako základní qubit. S jeho směrem rotace, tedy spinem, lze manipulovat pomocí mikrovlnného pole a výsledný kvantový stav lze „číst“ opticky pomocí světla, které qubit vydává po ozáření laserem.

Problémem ale zůstávalo, jak vyřešit integraci qubitu na tištěný spoj, jak prodloužit jeho stabilitu a jak kvantově provázat několik qubitů mezi sebou.

Tyto otázky se podařilo z velké části vyřešit. Ukázalo se totiž, že qubity lze číst nejenom opticky, ale i elektricky. Při dostatečném ozáření qubitu laserem dochází totiž k uvolnění jeho elektronu, takže vzniká elektrický proud, který se detekuje připojením elektrod na diamant. Elektrický způsob čtení tak usnadňuje propojení qubitu s okolní elektronikou a zároveň přináší nové možnosti konstrukce kvantového počítače.

Schéma qubitového páru v syntetickém diamantu a jeho čtení (podrobněji v textu).

Ve spolupráci s Czexpats in Science (czexpats.org)

Elektrickou metodou se nyní podařilo přečíst i jaderný neboli nukleární spin přilehlého dusíku. Dostává se tím nukleární qubit, který je mnohem stabilnější, a navíc dokáže s tím elektronovým komunikovat. Na takto vzniklém qubitovém páru byly nyní demonstrovány základní logické operace. K vytvoření prvního diamantového kvantového procesoru na světě už tedy chybí jen zdokonalit síť dusík-vakance qubitů.

Gulka M. et al.: Nature, 2021, DOI: s41467-021-24494-x