A kvantumbitek a kvantumszámítástechnika alapegységei, amelyek a bitekhez hasonlóan, de azoktól eltérő működéssel, az információkat hordozzák a műveletek elvégzése során. Míg a bitek értéke egy vagy nulla lehet, addig a qubitok, sajátos módon, létezhetnek a szuperpozíció állapotában is, amikor a nulla és az egy értékét is képviselhetik bizonyos valószínűséggel. Emellett a kvantumbitek egymással is kapcsolatba léphetnek és az összefonódás állapotába kerülhetnek, ilyenkor az információt konkrét fizikai kapcsolat nélkül képesek megosztani egymással, mivel az egyik egység állapota a másikét is meghatározza. Ezeknek a speciális tulajdonságaiknak köszönhető, hogy a segítségükkel olyan bonyolult számításokat is el lehet végezni rövid idő alatt, amire a bitekkel működő rendszerek nem, vagy csak rendkívül hosszú idő alatt lennének képesek.

A qubitok szerepére számos jelölt alkalmas, köztük az olyan természetes részecskék, mint az ioncsapdába ejtett ionok vagy a fotonok és a mesterségesen előállított qubitok, mint például a dópolt, vagyis módosított szerkezetű szilíciumalapon működő szilárd állapotú kvantumbitek. Az újabb típusú qubitok felfedezésével egyre növekszik a felhasználási lehetőségeik száma és megbízhatósága is, ezért lényeges, hogy a kvantumbitek minél több lehetséges fizikai manifesztációját vizsgálják meg a kutatók, hogy felfedjék ezek jellemzőit és potenciális felhasználhatóságát.

A Wigner Fizikai Kutatóközpont kutatói ennek érdekében egy újabb jelölt, a volfrám-diszulfidban elhelyezett szénatom, pontosabban annak hibájának tulajdonságait elemezték, hogy közelebbről is megértsék a kvantumbitként való használhatóságát. A kísérletben résztvevő volfrám-diszulfid mindössze atomnyi szélességű volt, vagyis kétdimenziós szerkezetű anyag, ez a háromdimenziós anyagoknál előnyösebb tulajdonságokkal bír, amennyiben a benne található ponthibák vizsgálata a cél.

"A kristályokban a ponthibák gyakran előforduló molekulaszerű képződmények. Ezek a kristálynövekedés során vagy utólag, például ionbesugárzás révén jöhetnek létre.

Persze nem minden ponthiba vagy nem minden gazdakristály alkalmas kvantumbitek fizikai megvalósítására, mert az ilyen működésnek szigorú követelményei vannak." - írják a Wigner FK beszámolójában - "Ahhoz, hogy hatékony kvantumbiteket alkossunk, létfontosságú, hogy olyan rendszereket találjunk, amelyeknek a kvantumállapotait jól tudjuk iniciálizálni, manipulálni és kiolvasni. Ehhez nemcsak a ponthibák atomi szintű kísérleti megismerésére és szerkezetének előállítására van szükség, hanem elektronszerkezetük és magnetooptikai tulajdonságaik részletes megismerésére is."

Gali Ádám fizikus és kutatócsoportja a semleges töltésű szénhibákkal kapcsolatos számításaik során felfedezték, hogy a 100 kHz erősségű interakcióra képes atomi spinek felhasználhatóak kvantuminformáció tárolására mielőtt a külső mágneses tér általi gerjesztett állapotból visszatérnének az alapállapotukba. A tanulmány szerint a volfrám-diszulfid anyagban található qubit különösen hosszú életű memóriaként szolgálhat, de van még egy előnyös tulajdonsága, ami hasznossá teheti a működőképes kvantuminformatikai rendszerek építése szempontjából: ez a ponthiba-kvantumbit ugyanis telekommunikációs hullámhosszon bocsátja ki a fényt.

"Az anyagra jellemző óriási spin-pálya kölcsönhatás a gerjesztett állapotokat egymással keveri, és ennek köszönhetően foszforeszkál telekommunikációs hullámhosszon kibocsátva a koherens fényt e kétdimenziós anyagban.

Eredményeik alapján ez a foszforeszkáló hiba kvantumbitként hasznosítható."

A kvantuminformáció továbbításának fontos összetevője a telekommunikációs hullámhosszokkal kompatibilis kvantumrendszerek kialakítása, amelyek lehetővé teszik az információk megbízható közvetítését. Számos projekt foglalkozik a telekommunikációs hullámhosszokon megvalósított kvantumos adatátvitel kutatásával, és a mostani eredmények is hozzájárulhatnak a területen való előrelépéshez. A vizsgálatok során a Wigner FK kutatócsoportja nem csak a kvantumbit jellemzőit tárta fel, hanem a hasznosításához szükséges kvantum-optikai eljárást is megadta, ezzel

"megalapozták a skálázható kvantumbitek kvantumprotokollját is, mégpedig telekommunikációs hullámhosszú spin-foton interfésszel együtt."

A kutatás így alapot adhat a jövőbeli, kétdimenziós anyagokban előállított ponthibákat alkalmazó, több kvantumbites logikai műveletek és kvantuminformatikai rendszerek megvalósításához.

(Fotó: Wigner Fizikai Kutatóközpont, Pixabay, Getty Images/inkoly)

Az üveg nem vezeti az áramot, hazai kutatók azonban változtattak ezen Az ELKH Wigner Fizikai Kutatóközpont kutatói fontos lépést tettek az ultragyors jelfeldolgozás gyakorlati alkalmazásai felé vezető úton, aminek eredménye végül a maiaknál gyorsabb és hatékonyabb mikroelektronikai áramkörök lehetnek.