Kvantinių kompiuterių kūrimą gali paspartinti grafenas

Daugelyje pasaulio kampelių mokslininkai karštligiškai stengiasi sukurti kvantinius kompiuterius. Ne paslaptis, jog nėra vieningo kvantinio kompiuterio modelio, todėl siūlomos įvairios koncepcijos bei galimi prototipai. Vis dėlto vienas iš perspektyviausių variantų – kvantinis kompiuteris, išnaudojantis elektronų sukinių savybes. Paaiškėjus, jog šiam tikslui neblogai tinka galio arsenidas, buvo žengti pirmieji dideli žingsniai, tačiau tenka pripažinti, kad kol kas toli nueiti nepavyko.

Klausas Enslinas (Klaus Ensslin) su kolegomis iš Kietojo kūno fizikos laboratorijos (Ciūrichas, Šveicarija) mano, kad kubitus įmanoma sukurti iš elektronų sukinių, esančių grafeno kvantiniuose taškuose. Kubitas, arba kvantinis bitas, kvantinio kompiuterio informacijos matavimo vienetas, yra pati svarbiausia ir sunkiausiai įgyvendinama šio įrenginio dalis. Mokslininkų pasiūlytieji grafeno kubitai galėtų išspręsti kai kurias galio arsenido problemas. Pirmasis ėjimas šia kryptimi – žurnale „Applied Physics Letters“ išspausdintas straipsnis apie vienelektronį grafeno tranzistorių.

Viena didžiausių problemų, kylančių su sukinių veikimo pagrindo kvantiniais kompiuteriais, yra ta, kad sukiniai nekeisdami savo krypties išbūna tik ribotą laiko tarpą. „Sukinys magnetiniame lauke yra nukreiptas į viršų arba į apačią, – pasakoja K. Enslinas. – Štai kodėl šioms būsenoms galima priskirti vertes 0 arba 1“. Žinoma, nereikėtų pamiršti, kad kvantiniame pasaulyje sukiniai gali įgyti abi vertes iš karto, tačiau paprastai toje pačioje būsenoje jie ilgai neužsibūna. „Jie sąveikauja su aplinka, o tai daug ką keičia“. Dar svarbiau tai, kad sukinius turi ne tik elektronai, bet ir aplinkinių atomų branduoliai. Ilgainiui kvantiniuose skaičiavimuose naudojami elektronų sukiniai ims sąveikauti su branduolių sukiniais, ir visos mūsų pastangos priversti kvantinį kompiuterį skaičiuoti teisingai nueis šuniui ant uodegos.

„Regis, grafenas yra būtent ta medžiaga, kuria galima ištaisyti tokią padėtį“, – teigia K. Enslinas. Tačiau mokslininkas pripažįsta, jog grafeno kvantinio taško sukūrimas yra tik ledkalnio viršūnėlė, nes kol kas kvantinio kompiuterio veikimas aprašytas tik teoriškai. „Kai pažvelgi į visa tai iš teorinės pusės, 98 proc. anglies atomų branduolių neturi sukinio. Tai reiškia, kad branduolių sukinių ir elektronų sukinių sąveika būtų ženkliai sumažinta“.

Tikimasi, jog tai bus sistema, tinkama „realizuoti sukininį kubitą, jeigu tik pavyks sukurti kvantinį tašką grafene (tai jau pavyko) bei valdyti atskirus sukinius tokioje sistemoje“.

K. Enslinas jau nuveiktus darbus vadina pirmuoju žingsneliu. „Parodėme, jog įmanoma sukurti kvantinį tašką iš grafeno. Iš esmės tai yra paties principo įrodymas“. Tačiau toliau laukia kitos užduotys: kvantinius taškus reikia išbandyti bei pasistengti padaryti juos mažesnius.

„Mums reikia išmokti išskirti atskirus elektronus, – toliau tęsia mokslininkas. – Dabar nežinome, kiek tiksliai jų ten yra“. Svarbiausia – išsiaiškinti, kaip pernešti kvantinį tašką į vietą, kurioje yra ne daugiau kaip vienas ar du elektronai.

Dar vienas svarbus dalykas, į kurį reikia atkreipti dėmesį, yra naudojamos medžiagos kraštų lygumas. „Grafenas pasižymi šiurkštesniais kraštais, kitaip negu puslaidininkiai, kurių kraštai kur kas lygesni. Bus svarbu išsiaiškinti, kuriose vietose yra išsidėstę atomai, nes tai itin reikšminga valdant elektronus“.

K. Enslinas tiki, jog jeigu visa tai pavyks įgyvendinti, galbūt po kelerių metų jau bus galima išbandyti grafeno kvantinius taškus kvantiniuose kompiuteriuose. „Nėra jokios esminės priežasties, kuri neleistų to padaryti“.