Phosphorous Atom Quantum Computing Machine

Tillbaka i slutet av 90-talet lade en fysiker i Australien fram en design för en kvantdator. Bruce Kane föreslog att fosforatomer inbäddade i kisel skulle vara det perfekta sättet att lagra och manipulera kvantinformation.

Hans idé var att fosforatomens kärna kunde lagra en enda qubit under långa tidsperioder på det sätt som den snurrar. Ett magnetfält skulle lätt kunna adressera denna qubit med hjälp av välkända tekniker från kärnmagnetisk resonansspektroskopi. Det skulle tillåta en-qubit-manipulationer men inte två-qubit-operationer, eftersom kärnspinn inte interagerar nämnvärt med varandra.

För det föreslog han att man skulle överföra spinnet till en elektron som kretsar kring fosforatomen, som skulle interagera mycket lättare med en elektron som kretsar kring en närliggande fosforatom. Två-qubit-operationer skulle då vara möjliga genom att manipulera de två elektronerna med elektriska fält.

Den stora fördelen med Kane kvantdator som gladde många fysiker på den tiden var att den var skalbar. Eftersom varje atom skulle kunna adresseras individuellt med hjälp av vanliga elektroniska kretsar, är det enkelt att öka storleken på datorn genom att lägga till fler atomer och deras tillhörande elektroniska tillbehör och sedan ansluta den till en konventionell dator.

Att bygga en Kane kvantdator har blivit nästan en besatthet i Australien, där ett hundratal forskare har arbetat med problemet i över ett decennium.

De har gjort genombrott som att kunna implantera fosforatomer på exakta ställen i kisel med hjälp av ett skannande tunnelmikroskop. De har också kunnat ta itu med kärnsnurrarna hos dessa fosforatomer med hjälp av kraftfulla magnetfält.

Men den stora olösta utmaningen har varit att hitta ett sätt att ta itu med spinn av en enskild elektron som kretsar kring en fosforatom och att läsa ut dess värde.

Idag säger Jarryd Pla vid University of New South Wales i Sydney, och några kompisar, att de har erövrat denna uppgift för första gången.

Dessa killar implanterade en enda fosforatom i en kiselnanostruktur och placerade den i ett kraftfullt magnetfält vid en temperatur nära absolut noll. De kunde sedan vända tillståndet för en elektron som kretsar kring fosforatomen genom att zappa den med mikrovågor.

Det sista steget, en betydande utmaning i sig, var att läsa av elektronens tillstånd med en process som kallas spin-to-charge-omvandling.

Slutresultatet är en enhet som kan lagra och manipulera en qubit och har potential att utföra två-qubit logiska operationer med atomer i närheten; med andra ord den grundläggande byggstenen i en skalbar kvantdator.

Dessa resultat indikerar att elektronspinnet hos en enda fosforatom i kisel är en utmärkt plattform för att bygga en skalbar kvantdator, säger teamet.

Det ser ut att vara ett stort framsteg för Australiens ansträngning att göra en skalbar kvantdator.

Men en hård konkurrens har uppstått under de 15 åren sedan Kane publicerade sin ursprungliga design. I synnerhet har fysiker hittat ett enkelt sätt att lagra och bearbeta kvantinformation i kvävevakansdefekter i diamant.

Sedan finns det D-Wave Systems, som redan tillverkar en skalbar kvantdator som fungerar på ett helt annat sätt som den har sålt till företag som Lockheed Martin och Google.

Den stora fördelen med den australiensiska designen är dess kompatibilitet med den befintliga kiselbaserade chiptillverkningsindustrin. I teorin kommer det att vara enkelt att införliva denna teknik i framtida chips.

Om det är vad som kommer att hända i praktiken är svårt att säga. Att vara först på marknaden är en stor fördel i den högteknologiska världen och den australiensiska designen är fortfarande år borta från att komma från laboratoriet.

Det finns massor av hinder framöver som skulle kunna tappa någon av dessa framväxande teknologier. Det här loppet är långt ifrån över.

Ref: arxiv.org/abs/1305.4481 : En enatoms elektronspin Qubit i kisel

Dölj