Forskare vid Paul Scherrer Institute (PSI) har lagt fram en detaljerad plan för hur snabbare och bättre definierade kvantbitar – qubits – kan skapas. De centrala elementen är magnetiska atomer från klassen av så kallade sällsynta jordartsmetaller, som selektivt skulle implanteras i ett materials kristallgitter. Var och en av dessa atomer representerar en qubit. Forskarna har visat hur dessa qubits kan aktiveras, intrasslad, används som minnesbitar, och läsa upp. De har nu publicerat sitt designkoncept och stödjande beräkningar i tidskriften PRX Quantum.

På väg till kvantdatorer, ett initialt krav är att skapa så kallade kvantbitar eller 'qubits':minnesbitar som kan, till skillnad från klassiska bitar, anta inte bara de binära värdena noll och ett, men också någon godtycklig kombination av dessa tillstånd. "Med detta, en helt ny typ av beräkning och databehandling blir möjlig, vilket för specifika tillämpningar innebär en enorm acceleration av datorkraft, " förklarar PSI-forskaren Manuel Grimm, första författare till en ny artikel om ämnet qubits.

Författarna beskriver hur logiska bitar och grundläggande datoroperationer på dem kan realiseras i ett magnetiskt fast ämne:qubits skulle finnas på enskilda atomer från klassen av sällsynta jordartsmetaller, inbyggd i kristallgittret i ett värdmaterial. På grundval av kvantfysiken, författarna beräknar att kärnspinnet hos de sällsynta jordartsmetallerna skulle vara lämpligt att använda som informationsbärare, det är, en qubit. De föreslår vidare att riktade laserpulser tillfälligt kan överföra informationen till atomens elektroner och därmed aktivera qubits, varvid deras information blir synlig för omgivande atomer. Två sådana aktiverade qubits kommunicerar med varandra och kan således "trasslas in". Entanglement är en speciell egenskap hos kvantsystem med flera partiklar eller qubits som är avgörande för kvantdatorer:Resultatet av att mäta en qubit beror direkt på mätresultaten för andra qubits, och vice versa.

Snabbare betyder mindre felbenägen

Forskarna visar hur dessa qubits kan användas för att producera logiska grindar, framför allt den "kontrollerade NOT-porten" (CNOT-porten). Logiska grindar är de grundläggande byggstenarna som klassiska datorer också använder för att utföra beräkningar. Om tillräckligt många sådana CNOT-grindar såväl som en-qubit-grindar kombineras, varje tänkbar beräkningsoperation blir möjlig. De utgör alltså grunden för kvantdatorer.

Denna artikel är inte den första som föreslår kvantbaserade logiska grindar. "Vår metod för att aktivera och trassla in qubits, dock, har en avgörande fördel gentemot tidigare jämförbara förslag:Det är minst tio gånger snabbare, säger Grimm. Fördelen, fastän, är inte bara den hastighet med vilken en kvantdator baserad på detta koncept skulle kunna beräkna; framför allt, den tar upp systemets känslighet för fel. "Qubits är inte särskilt stabila. Om intrasslingsprocesserna är för långsamma, det finns en större sannolikhet att några av qubitarna kommer att förlora sin information under tiden, " förklarar Grimm. Till slut, vad PSI-forskarna har upptäckt är ett sätt att göra den här typen av kvantdatorer inte bara minst tio gånger så snabba som jämförbara system, men också mindre felbenägen av samma faktor.