Inwestować w kupryt zamiast w krzem? Ekscytująca szansa na rozwój komputerów kwantowych

Badacze z Francji potwierdzili eksperymentalnie teorię zaproponowaną przez fizyków z Politechniki Bydgoskiej. Zaobserwowali w krysztale tlenku miedzi - pewne nieliniowe optyczne efekty kwantowe, obserwowane dotąd najczęściej w super zimnych gazach. A dokładniej: udowodnili, że w pewnych układach ciała stałego - dzięki obecności ekscytonów rydbergowskich - można obserwować nieliniowe zjawisko Kerra.

Zjawisko to występuje w krysztale tlenku miedzi. A w przyrodzie tlenek miedzi występuje w minerale, jakim jest kupryt. To minerał o intensywnie czerwonym zabarwieniu, pozyskiwany choćby w kopalniach w Namibii.

To ważna informacja dla tych, którzy czekają, aż komputery kwantowe staną się bardziej dostępne. Opisane przez badaczy efekty będzie można bowiem wykorzystać do przetwarzania informacji kwantowej. Fizycy z zespołu fotoniki i inżynierii kwantowej Politechniki Bydgoskiej mają nadzieję, że znajdą one zastosowanie w budowie bramek kwantowych (to element niezbędny do wykonywania obliczeń w komputerach kwantowych).

Wśród autorów wyróżnionej przez redakcję “Physical Review Letters” pracy są prof. Sylwia Zielińska-Raczyńska i dr David Ziemkiewicz, a także prof. Gerard Czajkowski i dr Karol Karpiński.

Świat na poziomie kwantów jest niezwykle szalony, ale efekty kwantowe są zwykle bardzo kruche - trwają niewyobrażalnie krótko, są obserwowane w maleńkiej przestrzeni, a w dodatku są bardzo podatne na wpływ otoczenia.

Jednym z popularnych sposobów badania zjawisk kwantowych są więc bardzo skomplikowane układy badawcze zajmujące całe sale laboratoriów. Potrzebne są tam niezwykle rozrzedzone gazy (a żeby je wytworzyć - niezbędna jest pompa próżniowa) i najczęściej niskie temperatury rzędu kilku K. W przypadku eksperymentów z pojedynczymi atomami muszą one być uwięzione w pułapkach magnetooptycznych.

Trudno sobie wyobrazić, żeby tak wymagające w działaniu układy instalowano w komputerach kwantowych, które - jak po cichu liczymy - kiedyś trafią do naszych domów. Szansą na rozwój i rozpowszechnienie urządzeń wykorzystujących sztuczki świata nanocząstek jest więc pokazanie, że te same efekty kwantowe znane z gazów - zachodzą również w ciałach stałych - np. w niedużych i prostych w produkcji układach. Dr David Ziemkiewicz w rozmowie z portalem Nauka w Polsce zwraca uwagę, że tak było na przykład z laserem: miniaturyzacja - i uproszczenie konstrukcji - zagwarantowały temu urządzeniu umasowienie na niespotykaną skalę.

Dlatego wyniki opisane w “Physical Review Letters” są takim ważnym odkryciem. Pokazano tam, że stopień załamania światła przechodzącego przez ciało stałe - kryształ tlenku miedzi - można zmienić w sposób nieliniowy. Zjawisko takie było wcześniej obserwowane przez optyków kwantowych w rozrzedzonych parach atomowych.

“Efekty nieliniowe w optyce polegają na tym, że kiedy światło przechodzi przez ośrodek, zmienia ono ośrodek, a on - zmienia potem z kolei światło” - mówi w rozmowie z PAP prof. Sylwia Zielińska-Raczyńska.

Takie nieliniowe zjawisko, znane jako efekt Kerra, możliwe jest w tym przypadku dzięki wzbudzeniu wewnątrz kryształu tlenku miedzi tzw. ekscytonów rydbergowskich. To struktury o naturze kwantowej - tzw. kwazicząstki.

Pod wpływem promieniowania lasera w krysztale Cu2O wzbudzany jest elektron z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa. Wspólnie z dziurą, która po nim pozostała, tworzy coś w rodzaju wielkiego atomu wodoru. Zazwyczaj, podobnie jak w atomie wodoru, taki elektron znajduje się na pierwszej, najniższej orbicie. Inaczej jest z eksytonami rydbergowskimi – tam numer orbity może być rzędu 30.

Taki niespotykany twór jest jednocześnie gigantem i Matuzalemem w świecie kwantów. Prof. Sylwia Zielińska-Raczyńska tłumaczy, że rozmiary ekscytonów zaobserwowanych w eksperymencie dochodzą do 5 mikrometrów, czyli są grubości nici w pajęczynie, a czas życia tej wysoko wzbudzonej kwazicząstki liczony jest w mikrosekundach, czyli naprawdę długo - nawet w porównaniu z operacjami, które wykonuje się w zwykłych komputerach. Ekscyton rydbergowski jest więc obiektem kwantowym, którym w miarę sprawnie można manipulować - np. zapędzić go do wykonywania obliczeń.

W eksperymencie pokazano, że pod wpływem odpowiedniego strumienia fotonów w krysztale pojawiają się oddziałujące ze sobą ekscytony, które modyfikują współczynnik załamania światła, które przez kryształ przechodzi. Z materiału wychodzi więc światło niosące informacje o tym, co się działo między ekscytonami.

Można więc się zastanowić, jak zaprojektować bramki logiczne wykonujące operacje na fotonach, z ekscytonami jako pośrednikiem umożliwiającym oddziaływanie między fotonami.

Prof. Zielińska-Raczyńska tłumaczy, że w porównaniu z eksperymentach w rozrzedzonych gazach, taki układ badawczy jest prosty: maleńki kryształek tlenku miedzi ("nasi francuscy koledzy kupili go na eBayu") należy schłodzić do 40-100 Kelwinów ("docelowo wystarczy ciekły azot") i oświetlić laserem ("i to wcale nie najwyższej klasy"). A to oczywiście w dłuższej perspektywie szansa na tańsze, mniejsze, łatwiejsze w konstrukcji komputery kwantowe.

Fizycy zwracają uwagę, że zjawiska kwantowe, które zachodzą w tym eksperymencie są już dość dobrze poznane - no bo przecież zbadano je wcześniej w tych niewygodnych, ale superprecyzyjnych układach - w ultra zimnych gazach oddziałujących ze światłem.

Teraz pozostaje więc kwestia zaprojektowania układów liczących na bazie kuprytu. A więc opracowanie procesora kwantowego, w którym kwantowymi bitami, czyli kubitami, będą ekscytony rydbergowskie. W ocenie badaczki z Politechniki Bydgoskiej przejście od badań podstawowych do zastosowań to kwestia kilku lat.

"Mam nadzieję, że tlenek miedzi stanie się dla komputerów kwantowych tym, czym krzem był dla komputerów tradycyjnych"- podsumowuje dr David Ziemkiewicz.

lt/ ekr/

Źródło informacji: Nauka w Polsce,