Komputery kwantowe coraz bliżej

Publikacja naukowców z niemieckiego Uniwersytetu w Ratyzbonie i z Instytutu Fizyki Polskiej Akademii Nauk w Warszawie na temat osiągnięcia pojawiła się w najnowszym wydaniu prestiżowego tygodnika "Science".

Tranzystory powszechnie stosowane są w urządzeniach codziennego użytku - znajdują się np. w układach scalonych czy procesorach. Mogą kontrolować przepływ ładunków elektrycznych. Miniaturyzacja obwodów funkcjonujących na tej zasadzie jest jednak trudna m. in. z uwagi na wydzielające się ciepło. Szanse na dalszy postęp miniaturyzacji naukowcy upatrują w spintronice - dziedzinie, w której pod uwagę szczególnie bierze się nie ładunek elektryczny, ale inną cechę kwantową: spin elektronu, a więc wewnętrzny moment pędu.

"Spin elektronów może być efektywniej wykorzystany niż ich ładunek elektryczny" - stwierdził szef polskiego zespołu, prof. Tomasz Wojtowicz z IF PAN.

Jak poinformował IF PAN, pamięci spintroniczne nie traciłyby informacji po odłączeniu zasilania, a procesory spintroniczne potrafiłyby fizycznie modyfikować własne obwody, dopasowując swoją strukturę do aktualnych potrzeb. Z kolei umiejętność operowania spinami pojedynczych elektronów otworzyłaby drogę do budowy komputerów kwantowych - urządzeń, które zgodnie z przewidywaniami teoretyków będą realizować pewne klasy algorytmów w nieprawdopodobnie krótkim czasie. Na razie wiadomo, że opracowany przez badaczy tranzystor potrafi manipulować spinami elektronów - dzięki czemu może zamykać i otwierać przepływ prądu elektrycznego.

Nowy, tzw. adiabatyczny tranzystor spinowy ma na razie pewne ograniczenia - działa w temperaturze bliskiej zeru absolutnemu. Jednak ekspert z IF PAN zaznacza, że prototyp powstał nie po to, by zastąpić tradycyjne tranzystory w urządzeniach elektronicznych, jakich dziś używamy. Tranzystor opisany w publikacji w "Science" mógłby za to znaleźć zastosowanie w urządzeniach nowej generacji, a więc np. komputerach kwantowych. Takie zdolne do manipulowania spinami tranzystory mogłyby wchodzić np. w skład procesorów takich niewyobrażalnie szybkich komputerów.

Urządzenie opracowane przez niemiecko-polski zespół nie jest pierwszym w historii spinowym tranzystorem. Pierwszą ideę budowy półprzewodnikowego tranzystora spinowego przedstawiono w 1990 roku, a pomysł udało się sprawdzić doświadczalnie trzy lata temu. Otrzymane sygnały były jednak słabe, a elektrony szybko traciły początkowy kierunek spinu. Urządzenie niemiecko-polskiego zespołu okazało się wydajniejsze.

Realizacja nowej idei była możliwa głównie dzięki przyrządowi półprzewodnikowemu wykonanemu w IF PAN. Jego elementy powstały z tellurku kadmu z dużą domieszką manganu. "W tym doświadczeniu byliśmy dostawcami technologii półprzewodnikowych o wyjątkowych parametrach" - podkreśla prof. Wojtowicz i dodaje, że ruchliwość elektronów w nanostrukturach wytworzonych przez Polaków jest w tej grupie układów największa na świecie. "To efekt siedmiu lat intensywnej pracy nad obecnymi materiałami i niemal 20 lat naszych doświadczeń nad technologiami epitaksji z wiązek molekularnych, które rozwijamy wraz z profesorami Grzegorzem Karczewskim i Jackiem Kossutem w Środowiskowym Laboratorium Fizyki i Wzrostu Kryształów Niskowymiarowych IF PAN" - dodaje prof. Wojtowicz.

Idea adiabatycznego tranzystora spinowego w przyszłości będzie mogła być zrealizowana także za pomocą materiałów zbudowanych z innych pierwiastków niż kadm i tellur. Nowe tranzystory i urządzenia mogłyby wtedy działać także w temperaturze pokojowej, co byłoby kolejnym krokiem na drodze do zastosowań spintroniki.

Unikatowe struktury półprzewodnikowe w IF PAN powstały w ramach projektu "Kwantowe nanostruktury półprzewodnikowe do zastosowań w biologii i medycynie" realizowanego w ramach Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka.