Wetenschappers van het Institute of Physics van de Universiteit van Tartu hebben een manier gevonden om optische kwantumcomputers van een nieuw type te ontwikkelen. Centraal in de ontdekking staan ​​zeldzame aarde-ionen die bepaalde eigenschappen hebben en als kwantumbits kunnen fungeren. Deze zouden kwantumcomputers een ultrasnelle rekensnelheid en een betere betrouwbaarheid geven in vergelijking met eerdere oplossingen. De onderzoekers van de Universiteit van Tartu, Vladimir Hizhnyakov, Vadim Boltrushko, Helle Kaasik en Yurii Orlovskii publiceerden de resultaten van hun onderzoek in het wetenschappelijke tijdschrift Optische communicatie .

Terwijl in gewone computers, de informatie-eenheden zijn binaire cijfers of bits, in kwantumcomputers zijn de eenheden kwantumbits of qubits. Op een gewone computer informatie wordt meestal gedragen door elektriciteit in geheugenopslagcellen bestaande uit veldeffecttransistoren, maar in een kwantumcomputer, afhankelijk van het type computer, de informatiedragers zijn veel kleinere deeltjes, bijvoorbeeld ionen, fotonen en elektronen. De qubit-informatie kan worden gedragen door een bepaald kenmerk van dit deeltje (bijvoorbeeld spin van elektron of polarisatie van foton), die twee staten kan hebben. Terwijl de waarden van een gewoon bit 0 of 1 zijn, ook tussenvarianten van deze waarden zijn mogelijk in de quantumbit. De tussentoestand wordt de superpositie genoemd. Deze eigenschap geeft kwantumcomputers de mogelijkheid om taken op te lossen, die gewone computers niet binnen een redelijke termijn kunnen uitvoeren.

Qubits van gemengde-ionenkristallen

Onderzoekers van het Institute of Physics van de Universiteit van Tartu toonden aan dat microkristallen, gesynthetiseerd op basis van gemengde optische fluoridekristalmatrices gedoteerd met erbium, praseodymium en enkele andere ionen van zeldzame aardelementen, kunnen werken als qubits die ultrasnelle optische kwantumcomputers mogelijk maken.

Professor Vladimir Hizhnyakov, lid van de Estse Academie van Wetenschappen, zegt dat bij het selecteren van de ionen, hun elektronische toestanden van zeer verschillende eigenschappen zijn van het grootste belang. "Ze moeten ten minste twee toestanden hebben waarin de ioneninteractie erg zwak is. Deze toestanden zijn geschikt voor basale kwantumlogische bewerkingen op enkele kwantumbits. Bovendien, een toestand of toestanden zijn nodig waarin de ioneninteractie sterk is - deze toestanden maken kwantumlogische bewerkingen met twee of meer qubits mogelijk. Al deze toestanden moeten een lange (milli- of microseconde) levensduur hebben en optische overgangen moeten tussen deze toestanden mogelijk zijn, Hizhnyakov legde uit.

Hij zegt dat tot nu toe het vinden van dergelijke elektronische toestanden van zeldzame aardionen werd niet mogelijk geacht, en dat is de reden waarom wetenschappers niet hebben gezocht naar dergelijke staten die geschikt zijn voor qubits onder hen. "Tot dusver, meestal zijn de spintoestanden van atoomkernen bestudeerd voor de rol van qubits. Echter, hun frequentie is een miljoen keer lager dan de frequentie van onze kwantumbits. Dit is de reden waarom ook kwantumcomputers die op basis van deze qubits zijn gemaakt, aanzienlijk langzamer zouden zijn dan computers met onze op elektronische toestanden gebaseerde kwantumbits, " hij legde uit.

Hogere snelheid en minder fouten

Een ultrasnelle werkcyclus zou het mogelijk maken, volgens Hizhnyakov, om een ​​van de belangrijkste obstakels bij het maken van kwantumcomputers te overwinnen. Qubits zijn namelijk erg gevoelig voor hun omgeving, daarom kan elke omgevingsinterferentie leiden tot fouten in de kwantumberekening. "De coherentietijd van qubits, d.w.z. de duur van de zuivere kwantumtoestand, is erg kort. Hoe sneller de rekencyclus, hoe minder interferentie wordt veroorzaakt door de omgeving bij het werk van qubits, Hizhnyakov legde uit.

Er is vastgesteld dat de spectrale gatverbrandingsmethode, eerder ontwikkeld aan het Institute of Physics van de Universiteit van Tartu, kan worden gebruikt voor het selecteren van een set qubits in een microkristal dat fungeert als een computerinstantie. Volgens Hizjnyakov, dit op dit moment een van de krachtigste methoden van optische spectroscopie, die het mogelijk maakt om die ionen in een microkristal te vinden die het meest geschikt zijn voor gebruik als computerqubits.

Hoewel het nog een lange weg vol obstakels is voor een daadwerkelijk werkende kwantumcomputer, onderzoekers van het laserspectroscopielaboratorium van de Universiteit van Tartu zijn begonnen met het bouwen van een pilot-prototype van een kwantumcomputer op basis van de nieuwe methode. Volgens de onderzoekers is ze staan ​​op de drempel om het werk van de basiselementen van het nieuwe type kwantumcomputer te presenteren.

De voltooide onderzoeksstudie maakt deel uit van het gezamenlijke project "Spectroscopie van verstrengelde toestanden van clusters van zeldzame-aarde-onzuiverheidsionen voor kwantumcomputing, " uitgevoerd door het Laboratorium voor Laserspectroscopie en het Laboratorium voor Solid State Theory aan het Institute of Physics van de Universiteit van Tartu.