Šių dalelių atminties kontrolė gali tapti raktu į kvantinių kompiuterių, galinčių patikimai saugoti informaciją net sudėtingomis sąlygomis, kūrimą.
Weizmann mokslo instituto (WIS) mokslininkai žurnale „Nature“ paskelbė rezultatus, kurie rodo, kad dvigubo sluoksnio grafene esančios kvantinės dalelės gali saugoti informaciją apie savo praeities būsenas.
Tyrėjai stebėjo ciklinius frakcinio krūvio svyravimus ir nustatė, kad jis grįžta su pastoviu interferenciniu ritmu. Šie duomenys patvirtina hipotezę apie koherentinę kvantinių sistemų atmintį ir suteikia vilties sukurti kvantinius įrenginius, galinčius veikti ne idealiomis sąlygomis.
Kaip dalelės „prisimena“ praeitį
Svarbiausi čia yra neabeliniai anionai – specialios kvantinės dalelės, egzistuojančios tik dvimatėje sistemoje. Kai tokios dalelės keičia vietas, jų bangų funkcijos sąveikauja ypatingu būdu.
„Neabelio anionuose vietų pasikeitimas palieka pėdsaką bangos funkcijoje“, – aiškina fizikas teoretikas dr. Yuval Ronen.
Skirtingai nuo įprastų dalelių, kurios tiesiog juda ir praranda savo sąveikų pėdsakus, neabelio anionai išsaugo informaciją apie visų ankstesnių pasikeitimų tvarką. Tai panašu į geležinkelio sudėtį: net jei vienas vagonas šiek tiek pasislenka, bendra seka išlieka. Grafene toks „pėdsakas“ įrašomas ne lokaliai, o globalios sistemos topologinėje struktūroje. Būtent dėl to informacija išlieka stabili net esant vibracijoms, defektams ar įtampos svyravimams.
Eksperimentas: pusė elektrono
Tyrėjai naudojo grafeno struktūros kilpą, nustatytą loginiu elementu, kur prietaiso varža reguliariai didėjo ir mažėjo. Esant ekstremaliai žemai temperatūrai ir stipriems magnetiniams laukams, elektronai sudarė struktūras, turinčias dalinį krūvį. Šis reiškinys žinomas kaip dalinis kvantinis „Holo efektas“, pirmą kartą aprašytas 1982 m., kai elektronai palei kraštus elgiasi kaip mažesni krūviai.
Viename iš eksperimentų Ronen komanda užfiksavo neįprastą signalą, atitinkantį „pusę elektrono“.
„Mes stebėjome elektrono dalį su lyginiu vardikliu“, – pažymėjo Ronen.
Tai rodė dviejų dalelių kolektyvinį judėjimą, kurios liko susijusios, bet nebuvo fiziškai sujungtos. Jų sąveika su kilpos bangos funkcija sukūrė interferencijos modelį – signalų sustiprinimą arba tarpusavio kompensavimą – leidžiantį užfiksuoti dalelių būseną ankstesniuose cikluose.
Kaip veikia kvantinė interferencija
Kvantinėje fizikoje dalelės elgiasi kaip bangos, o jų būseną apibūdina bangos funkcija. Kai kilpa atskyrė bangą ir tada ją sujungė, du keliai arba sustiprino, arba kompensavo vienas kitą, sukeldami atsparumo svyravimus.
Aharono-Bomo efektas, sukeltas magnetiniu srautu, nustatė šių svyravimų ritmą. Pastovus dėsningumas leido nustatyti ne tik dalinio krūvio buvimą, bet ir jo judėjimą kilpoje.
Keisdami įtampą, tyrėjai faktiškai keitė elektronų „populiaciją“ grafeno spąstų viduje. Kai viduje atsidurdavo dalelės su daliniu krūviu, jos pradėdavo daryti įtaką kitų kvantinių bangų keliui. Tai keisdavo interferencijos vaizdą ir keisdavo pasipriešinimą – tai ženklas, kad dalelės elgiasi ne kaip įprasti elektronai, o kaip egzotiški kvantiniai objektai, turintys atmintį apie savo ankstesnę būseną.
Į topologiją įtaisyta atmintis
Neabelio anijonams mainų tvarka yra labai svarbi. Kiekvienas pertvarkymas perrašo visos sistemos topologinę struktūrą, o informacija apie praeities būsenas išlieka bangos funkcijoje.
„Informacija saugoma ne lokaliai, o globalios sistemos forma, todėl ji yra atspari defektams ir vibracijoms“, – aiškina Ronenas.
Ši savybė daro tokias daleles unikalias kvantiniams skaičiavimams. Dauguma tradicinių kvantinių kompiuterių kubitų yra pagrįsti vietinėmis būsenomis, kurios yra lengvai pažeidžiamos triukšmo. Neabeliniai anionai leidžia kurti loginius elementus, kurie išlaiko tvarką ir duomenis net ir ne idealiomis sąlygomis, nereikalaujant ypač žemų temperatūrų ar visiškos izoliacijos.
Technologijų perspektyvos
WIS komanda tęsia darbą, siekdama kontroliuoti dalelių mainus ir išskirti atskirus neabelinius anijonus, kad patikrintų, kaip jų permainos veikia visos sistemos bangų funkciją. Šie eksperimentai gali tapti pagrindu kuriant kvantinius įrenginius su ilgalaike atmintimi, atsparius triukšmui ir išorės svyravimams.
„Mes parodėme, kad dviejų sluoksnių grafene beveik tikrai yra neabeliniai anijonai“, – apibendrino Ronen.
Jei tyrėjai sugebės valdyti šiuos mainus, klaidų taisymas kvantiniuose kompiuteriuose taps paprastesnis, o informacija bus saugiai saugoma net sudėtingomis sąlygomis.
