Delfti tehnikaülikooli töörühma uurimus pakub erirelatiivsust kasutades ootamatut lahendust, kuidas kvantarvutusteks hädavajalikku elektronide spinni kiiresti ning suure täpsusega kontrollida.
Tulevik on kvantarvutite päralt. Selles on kindlad enamik füüsikuid. Kvantarvutus põhineb kvantmehaanika määramatustel, mille läbi kaotavad tavapärane ühtedel ning nullidel rajanevad bitid oma tähenduse. Üksik ‘kvantbitt’ on tegelikult nende mõlema superpositsioon ehk võib võtta suvalise väärtuse ühe ja nulli vahel. See omakorda võimaldab arvutada paralleelselt mitme kvantbitiga ehk võimaldab arvutusi läbi viia kordades kiiremini kui tavapäraste seadmetega.
Just nagu jojo puhul, saab see, kes elektroni liikumist kontrollib muuta ka selle spinni või magnetvälja jüujoonte suunda. Gemma Plum
Seega üritavad teadlase kvantbittide kontseptsiooni realiseerida ükskõik millega, mida on võimalik superpositsiooni viia – alates polariseerunud valgusest kuni molekulaarmagnetiteni. Üks paljulubavamaid lahendusi võtab appi spintroonika poolt pakutavad võtted, ilma milleta oleks arvutitööstus endiselt 2000. aastate alguse tasemel. Spintroonika kasutab ära osakeste spinni ehk sisuliselt nende miniatuurset magnetmomenti.
Kuigi elektronide spinniga on võimalik magnetite abil manipuleerida, on see nii aeglane, kui ka äärmiselt kohmakas meetod. Midagi, mida kvantarvutid lubada ei saa. Leo Kouwenhoneni töörühm Delfti tehnikaülikoolist on nüüd kvantmehaanika ning erirelatiivsusteooria hübriidkontseptsiooni toimimist veelkord kinnitanud, mis võimaldab probleemile lahenduse leida. „Ma arvan, et kuna me saame nüüd elektrivälju kasutades magnetspinniga manipuleerida, on kvantbittide füüsika tunduvalt lihtsamaks muutunud,“ ütles Kouwenhonen Füüsikaportaalile.
Elektriväljad kujutavad endas tänu erirelatiivsusteooriale ideaalset vahendit, kuidas üksiku elektroni magnetmomenti oma aatomi tuuma ümber tiireldes kaudselt mõjutada. Elektron võib väita, et tema suhtes liigub aatomituum, mitte tema ise. Elektromagnetismi kohaselt tekitab liikuv tuumalaeng aga staatilise magnetvälja. Seetõttu saab elektroni orbiiti muutes seda magnetvälja muuta, mistõttu muutub elektroni enda spinn. Nähtust nimetatakse orbiidi-spinni vastastikmõjuks.
Oma eksperimendis kasutas Kouwenhoneni töörühm indiumarseniidist (InAs) koosnevat nanojuhet, mis on tuntud eriti tugeva orbiidi-spinni vastastikmõju poolest – ühend on nii raske kui ka tugeva elektrilaenguga. Elektrivoolu kasutades isoleerisid nad aatomis kvantbittidena käituvat kaks elektroni, millega nad seejärel elektriväljadega manipuleerima hakkasid. Katse käigus said nad muuta kvantbittide spinni paralleelsest antiparalleelseks ehk näiteks üles-üles spinnist üles-alla spinniks.
Kuigi indiumarseniit on suhteliselt odav, pole see ideaalne. Ülipeenete vastastikmõjude ning orbiidi-spinni kooslus langetab informatsiooni välja lugemise täpsust 20-30%. Sellele on Kouwenhonhovi sõnul lahendus olemas. „Kasutada võib materjali, mille tuumaspinn on null nagu süsinikul või tugevama orbiidi-spinni vastastikmõjuga materjale, millega saab spinni operatsioone kiiremini teha,“ pakkus füüsik võimalikku lahendust.
Väravate (gates) eletroodide abil on võimalik kontrollida spinni, mil vooluallika (source) ning vooluringi sugleja (drain) elektroodide abil on võimalik lugeda spinni hetke väärtust.
Uurimusega kaasnevas ülevaate artiklis märgib David Reilly, et indiumarseniidi probleemiks on ka selle spinni-orbiidi seotuse lühike eluiga võrreldes näiteks galliumarseniidiga. Mis InAs aga selles kaotab, teeb see spinni-orbiidi vastastikmõju tugevuses kuhjaga tasa. Galliumarseniidis kvantbitte kontrollida võimalik ei olnud ning teadlased usuvad lisaks, et nähtuse eluiga on võimalik indiumarseniidis pikendada.
Nanojuhtme kontseptsioonil endal on aga võrreldes teiste kvantarvutuste kontrollimise vahenditega veel üks trump taskust võtta. „Meie põhiliseks motivatsiooniks oli luua seade, mis võimaldaks lõimida muuhulgas ka elektroonilised elemendid (nagu kvantbitid) optiliste elementidega. Kes ei oleks huvitatud sellest, et elektroni kvantbiti seisund oleks võimalik footonitele üle kanda ja seeläbi kirjeldamatute vahemaade taha saata,“ naeratab Kouwenhonvon.
Töörühma uurimus ilmus 23. detsembril ajakirjas Nature.