Znajdź zawartość

Wiele współczesnych komputerów kwantowych zapisuje informacje w nietrwałych stanach kwantowych, które bardzo trudno jest utrzymać i skalować. Rozwiązaniem problemu może być trwały nanomechaniczny kubit. Kwantowe bity zbudowane z wibrujących węglowych nanorurek i par kropek kwantowych mogą być bardzo odporne na zakłócenia zewnętrzne. Tak przynajmniej wynika z obliczeń wykonanych przez Fabio Pistolesiego z francuskiego Narodowego Centrum Badań Naukowych i jego kolegów z Hiszpanii i USA. Obliczenia wskazują bowiem, że czas dekoherencji takiego nanomechanicznego kubitu były bardzo długi, co czyni tę architekturę obiecującym elementem komputerów kwantowych. Komputery kwantowe mogą, przynajmniej teoretycznie, dokonywać wielu obliczeń znacznie szybciej niż maszyny klasyczne. Wynika to z samych zasad fizyki kwantowej. Najmniejszą jednostką informacji, jaką posługują się komputery, jest bit, reprezentowany przez cyfrę „0” lub „1”. W 4 bitach możemy zapisać 16 (24) kombinacji zer i jedynek. W komputerze klasycznym w danym momencie możemy zapisać jedną z tych kombinacji – gdyż każdy z bitów może przyjąć pozycję albo „0” albo „1” – i wykonać na niej działania. Jednak komputery kwantowe nie korzystają z bitów, a z kubitów (bitów kwantowych). Kubitem może być np. elektron. A z praw mechaniki kwantowej wiemy, że nie ma on jednej ustalonej wartości „0” lub „1”, ale przyjmuje obie jednocześnie. To tzw. superpozycja. Zatem w komputerze kwantowym w danym momencie zapiszemy wszystkie 16 kombinacji i wykonamy na nich działania. Innymi słowy, 4-bitowy komputer kwantowy powinien być – przynajmniej w teorii – aż 16-krotnie szybszy od swojego klasycznego odpowiednika. Obecnie zaś korzystamy z procesorów 64-bitowych, więc liczba możliwych kombinacji zer i jedynek wynosi w ich przypadku 264. Problem jednak w tym, że stany kwantowe są bardzo nietrwałe i w wyniku interakcji z czynnikami zewnętrznymi kubit może ulec dekoherencji, czyli utracić swój stan kwantowy (superpozycję) i stać się „standardową” jedynką albo zerem. Widzimy więc, jak istotny jest czas dekoherencji. Im jest on dłuższy, tym więcej czasu zostaje na przeprowadzenie obliczeń. Obiecującymi kandydatami na kubity są obwody nadprzewodzące, jony uwięzione w pułapkach magnetycznych czy kropki kwantowe. Teraz międzynarodowa grupa uczonych przekonuje, że możliwe jest też zbudowanie stabilnego nanomechanicznego kubitu. Kubit taki miały się składać z wiszącej węglowej nanorurki działającej jak rezonator, której wibracje zależą od stanów elektronicznych dwóch kropek kwantowych znajdujących się w samej nanorurce. Sprzężenie pomiędzy kropkami a nanorurką powoduje, że rezonator staje się silnie anharmoniczny. To oznacza, że okres drgań jest zależny od jego amplitudy. W takim rezonatorze bardzo łatwo wykryć nawet najmniejsze zmiany amplitudy. Pistolesi uważa, że właśnie amplitudę można wykorzystać do przechowywania kwantowej informacji. Innymi słowy, najmniejsza możliwa amplituda drgań (kwantowy stan podstawowy) odpowiada „0”, a kolejna najmniejsza amplituda (pierwszy stan wzbudzenia) odpowiada „1”. Stany te można z łatwością odczytać za pomocą mikrofal. Fakt, że częstotliwość pracy oscylatora zmienia się, gdy zmienia się jego amplituda, pozwala nam na odczytywanie kubitu i manipulowanie nim, wyjaśnia swoją koncepcję Pistolesi. Uczony przekonuje, że taki kubit byłby bardzo trwały. Zanim pojawi się dekoherencja, dojdzie w nim do milionów oscylacji. Wyniki badań, chociaż obiecujące, nie rozwiązują wszystkich problemów. Naukowcy wciąż nie wiedzą, w jaki sposób wprowadzić do takiego systemu na tyle silną anharmoniczność, by całość poddawała się kontroli. Być może zaproponowana przez Pistolesiego architektura nigdy nie trafi do komputerów kwantowych. Jednak może się ona przydać do budowy niezwykle czułych detektorów kwantowych, gdyż oscylatory takie byłyby podatne na działanie klasycznych sił. Można by je więc wykorzystać do wykrywania niewielkich zmian przyspieszenia, pola elektrycznego czy magnetycznego. Teraz badacze chcą zbudować zaproponowany przez siebie kubit i przetestować jego działanie. « powrót do artykułu

Po raz pierwszy udało się sfilmować w casie rzeczywistym tworzenie się i zerwanie wiązań atomowych. Niemiecko-brytyjski zespół naukowy korzystał zaawansowane techniki mikroskopowe do zobrazowania procesu tworzenia i zrywania wiązań. Na materiale wideo widać dwa atomy renu o średnicy 0,1-0,3 nanometra każdy. To około 500 000 razy mniej niż średnica ludzkiego włosa. Zespół profesorów Ute Kaisera z Uniwersytetu w Ulm i Andreia Khlobystova z University of Nottingham wykorzystał węglowe nanorurki jaki miejsce, w którym prowadzi swoje eksperymenty. Nanorurki pozwalają nam przechwycić atomy i molekuły oraz umieścić je dokładnie w tym miejscu, w którym chcemy. Tym razem uwięziliśmy w nich parę atomów renu połączonych w Re2. Jako, że ren ma wysoką liczbę atomową, łatwiej jest go obrazować niż lżejsze elementy za pomocą metod transmisyjnej mikroskopii elektronowej, powiedział Khlobystov. Naukowcy wykorzystują strumień elektronów zarówno do precyzyjnego określenia pozycji atomów, jak i do rozpoczęcia reakcji chemicznej poprzez przekazanie energii strumienia do atomów.  To z kolei pozwala na obrazowanie i rejestrowanie atomów. Jasno widzimy, że atomy poruszają się w parze, widoczne jest wiązanie pomiędzy nimi. Co więcej, w miarę jak Re2 przemieszcza się w nanorurce, zmienia się długość wiązania, co wskazuje, że staje się ono silniejsze lub słabsze w zależności od otoczenia atomów, dodaje doktor Kecheng Cao. Z czasem wibracje Re2 powodują zmianę kształtu atomów na eliptyczną i rozciągniecie ich wiązania. Gdy długość wiązania przekracza sumę średnicy obu atomów, wiązanie zostanie zerwane, a wibracje ustają, co wskazuje, że atomy są od siebie niezależne. Chwilę później atomy znowu się łączą, tworząc Re2.   « powrót do artykułu