En illustration av qubit-plattformen gjord av en enda elektron på solid neon. Forskare frös neongas till ett fast ämne vid mycket låga temperaturer, sprutade elektroner från en glödlampa på det fasta ämnet och fångade en enda elektron där för att skapa en qubit. Kredit:Dafei Jin/Argonne National Laboratory
Du tittar utan tvekan på den här artikeln på en digital enhet vars grundläggande informationsenhet är biten, antingen 0 eller 1. Forskare över hela världen tävlar för att utveckla en ny typ av dator baserad på användningen av kvantbitar, eller qubits, som kan samtidigt vara 0 och 1 och en dag skulle kunna lösa komplexa problem bortom alla klassiska superdatorer.
Ett team ledd av forskare vid U.S. Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory, i nära samarbete med FAMU-FSU College of Engineering Docent i Mechanical Engineering Wei Guo, har tillkännagett skapandet av en ny qubit-plattform som visar ett stort löfte för utvecklas till framtida kvantdatorer. Deras arbete publiceras i Nature .
"Kvantdatorer kan vara ett revolutionerande verktyg för att utföra beräkningar som är praktiskt taget omöjliga för klassiska datorer, men det finns fortfarande arbete att göra för att göra dem till verklighet", säger Guo, en medförfattare. "Med den här forskningen tror vi att vi har ett genombrott som går långt mot att göra qubits som hjälper till att realisera denna tekniks potential."
Teamet skapade sin qubit genom att frysa neongas till ett fast ämne vid mycket låga temperaturer, spraya elektroner från en glödlampa på det fasta ämnet och fånga en enstaka elektron där.
Även om det finns många val av qubit-typer, valde teamet den enklaste - en enda elektron. Att värma upp en enkel ljusglödtråd som du kan hitta i ett barns leksak kan lätt skjuta ut en gränslös tillgång av elektroner.
En viktig egenskap för qubits är deras förmåga att förbli i ett samtidigt 0- eller 1-tillstånd under lång tid, känt som dess "koherenstid". Den tiden är begränsad och gränsen bestäms av hur qubits interagerar med sin omgivning. Defekter i qubit-systemet kan avsevärt minska koherenstiden.
Av den anledningen valde teamet att fånga en elektron på en ultraren solid neonyta i ett vakuum. Neon är ett av endast sex inerta element, vilket betyder att det inte reagerar med andra element.
"På grund av denna tröghet kan solid neon fungera som den renaste möjliga fasta substansen i ett vakuum för att vara värd för och skydda eventuella qubits från att störas", säger Dafei Jin, en Argonne-forskare och projektets huvudutredare.
Genom att använda en supraledande resonator i chipsskala – som en mikrovågsugn i miniatyr – kunde teamet manipulera de fångade elektronerna, så att de kunde läsa och lagra information från qubiten, vilket gjorde den användbar för användning i framtida kvantdatorer.
Tidigare forskning använde flytande helium som medium för att hålla elektroner. Det materialet var lätt att göra fritt från defekter, men vibrationer från den vätskefria ytan kunde lätt störa elektrontillståndet och därmed äventyra qubitens prestanda.
Solid neon erbjuder ett material med få defekter som inte vibrerar som flytande helium. Efter att ha byggt sin plattform utförde teamet qubit-operationer i realtid med hjälp av mikrovågsfotoner på en instängd elektron och karakteriserade dess kvantegenskaper. Dessa tester visade att solid neon gav en robust miljö för elektronen med mycket lågt elektriskt brus för att störa den. Det viktigaste är att qubiten uppnådde koherenstider i kvanttillståndet konkurrerande med andra toppmoderna qubits.
Enkelheten i qubit-plattformen borde också lämpa sig för enkel, lågkostnadstillverkning, sa Jin.
Löftet om kvantberäkning ligger i denna nästa generations teknologis förmåga att beräkna vissa problem mycket snabbare än klassiska datorer. Forskare strävar efter att kombinera långa koherenstider med förmågan hos flera qubits att länka ihop - så kallad entanglement. Kvantdatorer kunde därmed hitta svaren på problem som skulle ta en klassisk dator många år att lösa.
Tänk på ett problem där forskare vill hitta den lägsta energikonfigurationen av ett protein som består av många aminosyror. Dessa aminosyror kan vikas på biljoner sätt som ingen klassisk dator har minnet att hantera. Med kvantberäkning kan man använda entangled qubits för att skapa en överlagring av alla vikningskonfigurationer – vilket ger möjligheten att kontrollera alla möjliga svar samtidigt och lösa problemet mer effektivt.
"Forskare skulle bara behöva göra en beräkning, istället för att försöka biljoner möjliga konfigurationer," sa Guo. + Utforska vidare
