Forskare vid Institute of Physics vid University of Tartu har hittat ett sätt att utveckla optiska kvantdatorer av en ny typ. Centralt för upptäckten är sällsynta jordjoner som har vissa egenskaper och kan fungera som kvantbitar. Dessa skulle ge kvantdatorer ultrasnabb beräkningshastighet och bättre tillförlitlighet jämfört med tidigare lösningar. University of Tartu forskare Vladimir Hizhnyakov, Vadim Boltrushko, Helle Kaasik och Yurii Orlovskii publicerade resultaten av sin forskning i den vetenskapliga tidskriften Optik kommunikation .

Medan i vanliga datorer, informationsenheterna är binära siffror eller bitar, i kvantdatorer är enheterna kvantbitar eller qubits. I en vanlig dator, information transporteras mestadels av elektricitet i minneslagringsceller som består av fälteffekttransistorer, men i en kvantdator, beroende på typ av dator, informationsbärarna är mycket mindre partiklar, till exempel joner, fotoner och elektroner. Qubit -informationen kan bäras av en viss egenskap hos denna partikel (t.ex. elektronspinn eller polarisering av foton), som kan ha två stater. Medan värdena för en vanlig bit är 0 eller 1, även mellanvarianter av dessa värden är möjliga i kvantbiten. Mellanläget kallas superposition. Denna egenskap ger kvantdatorer möjligheten att lösa uppgifter, som vanliga datorer inte kan utföra inom rimlig tid.

Qubits av blandade kristaller

Forskare vid Institute of Physics vid University of Tartu visade att mikrokristaller, syntetiseras på basis av blandade optiska fluoridkristallmatriser dopade med erbium, praseodymium och några andra joner av sällsynta jordartsmetaller, kan fungera som qubits som möjliggör ultrasnabb optisk kvantberäkning.

Professor Vladimir Hizjnjakov, medlem av Estlands vetenskapsakademi, säger att när man väljer joner, deras elektroniska tillstånd med mycket olika egenskaper är av yttersta vikt. "De måste ha minst två tillstånd där joninteraktionen är mycket svag. Dessa tillstånd är lämpliga för grundläggande kvantlogikoperationer på enstaka kvantbitar. Dessutom har det behövs ett eller flera tillstånd där joninteraktionen är stark-dessa tillstånd möjliggör kvantlogikoperationer med två eller flera qubits. Alla dessa tillstånd måste ha en lång (milli- eller mikrosekund) livslängd och optiska övergångar måste tillåtas mellan dessa tillstånd, "Förklarade Hizjnjakov.

Han säger att så långt, det var inte möjligt att hitta sådana elektroniska tillstånd av sällsynta jordjoner. och det är därför forskare inte har letat efter sådana tillstånd som är lämpliga för qubits bland dem. "Än så länge, mestadels har spinntillstånden för atomkärnor studerats för qubits roll. Dock, deras frekvens är en miljon gånger lägre än frekvensen för våra kvantbitar. Det är därför också kvantdatorer som skapats på grundval av dessa qubits skulle vara betydligt långsammare än datorer med våra elektroniska tillståndsbaserade kvantbitar, " han förklarade.

Högre hastighet och färre fel

En supersnabb arbetscykel skulle möjliggöra, enligt Hizjnjakov, att övervinna ett av de största hindren i skapandet av kvantdatorer. Qubits är nämligen mycket känsliga för sin miljö, varför miljöpåverkan kan leda till fel i kvantberäkningen. "Sammanhållningstiden för qubits, dvs varaktigheten av det rena kvanttillståndet, är väldigt kort. Ju snabbare beräkningscykel, ju mindre störningar orsakas av den omgivande miljön i arbetet med qubits, "Förklarade Hizjnjakov.

Det har fastställts att den spektrala hålförbränningsmetoden, tidigare utvecklat vid Institute of Physics vid University of Tartu kan användas för att välja en uppsättning qubits i en mikrokristall som fungerar som en datorinstans. Enligt Hizhnyakov, detta för närvarande en av de mest kraftfulla metoderna för optisk spektroskopi, som gör det möjligt att hitta de joner i en mikrokristall som är de mest lämpliga för användning som dator qubits.

Även om det fortfarande är långt med hinder för en faktiskt fungerande kvantdator, forskare vid laserspektroskopi -laboratoriet vid University of Tartu har börjat bygga en pilotprototyp av kvantdator baserad på den nya metoden. Enligt forskarna, de står på tröskeln för att presentera arbetet med de grundläggande elementen i den nya typen av kvantdator.

Den slutförda forskningsstudien är en del av det gemensamma projektet "Spektroskopi av intrasslade tillstånd av kluster av sällsynta jordartade föroreningsjoner för kvantberäkning, "genomfördes av Laboratory of Laser Spectroscopy och Laboratory of Solid State Theory vid Institute of Physics vid University of Tartu.