Kouzlo grafenu. Kredit: University of Manchester.

Supravodivé kvantové bity, čili qubity, jsou uměle vytvořené kvantově mechanické systémy, které pomocí různých metod vytvářejí bity kvantové informace. Jsou to základní stavební kámeny kvantových počítačů. Podobně jako logické prvky tradiční elektroniky mohou i qubity nabývat dvou stavů, které odpovídají konvenční nule a jedničce. To ale není všechno. Qubity rovněž mohou být ve stavu superpozice, tedy vlastně být jedničkou a nulou zároveň. Právě díky tomu by kvantové počítače mohly obdivuhodně řešit komplexní problémy, které pro soudobé počítače prakticky nezvládnutelné.

William D. Oliver. Kredit: MIT.

Době, po kterou jsou qubity ve stavu superpozice, se říká doba koherence (anglicky coherence time). Tato doba úzce souvisí s výkonem kvantového počítače. Jednoduše řečeno, čím delší je doba koherence, tím větší je schopnost daného qubitu počítat komplexní problémy. Vědcům a vývojářům se v nedávné době podařilo zabudovat do supravodivých kvantových výpočetních systémů populární grafenové materiály. Slibují si od toho rychlejší a efektivnější výpočty. Až doposud ale nebylo známo, jak u takových vytuněných qubitů probíhá superpozice. Nikdo tudíž nevěděl, jestli jsou grafenové qubity vhodné pro praktické použití v technologiích kvantových počítačů.

První čipy s qubity nejsou příliš rozsáhlé. Kredit: Erick Lucero.

William Oliver z Massachusettského technologického institutu a jeho spolupracovníci jako první zprovoznili superpozici v qubitu, který vytvořili z grafenu a exotických materiálů. Díky tomuto složení je možné měnit stavy qubitu pomocí elektrického napětí, tedy podobně jako v tradičních tranzistorech a naopak odlišně od většiny jiných typů supravodivých qubitů. A co je ještě lepší, podařilo se jim změřit délku doby stavu superpozice těchto grafenových qubitů. Experimentální stopky se zastavily na hodnotě 55 nanosekund. Přesně za tu dobu se grafenové qubity překlopí zpátky do jejich základního stavu.

Supravodivé qubity bývají založené na struktuře Josephsonova přechodu (Josephson junction). To je elektronický prvek, který tvoří dva supravodiče (obvykle hliník), oddělené tenkou vrstvou izolantu (obvykle oxid). Při tomto uspořádání může dojít k Josephsonově jevu, čili ke vzniku elektrického proudu mezi supravodiči, který prochází skrz normálně neprostupný izolant.

Oliver a spol. použili k vytvoření svých pokročilých qubitů grafen, kterým nahradili izolant. Tento grafen přitom umístili mezi dvě vrstvy takzvaného van der Waalsova izolantu, v tomto případě hexagonálního nitridu bóru (hBN). Jako šunku do sendviče. Díky takovému uspořádání lze grafenový qubit ovládat elektrickým napětím. Právě elektrické napětí změní stav grafenového qubitu ze základní „nuly“ na superpozici, čili „jedničku“. V současnosti je možné umístit na jeden čip tak maximálně tisícovku qubitů. Podle badatelů by ovládání qubitu elektrickým napětím mohlo vést k vývoji čipů s miliony qubitů. Stejně tak by mělo přispět k efektivnějšímu uspořádání architektury takových čipů.

55 nanosekund není příliš dlouhá doba. Soudobé supravodivé qubity se udrží v superpozici i pár desítek mikrosekund, čili podstatně déle, než nové grafenové qubity. Bude to chtít ještě hodně práce, aby se doba koherence pokročilých qubitů významně prodloužila. Pak by se mohly uplatnit v evoluci kvantových počítačů.

Video:  A Qubit in the Making


Literatura
MIT News 31. 12. 2018, Nature Nanotechnology online 31. 12. 2018.