Zupełnie nowy nośnik informacji opracowany na Uniwersytecie Warszawskim

Zupełnie nowy nośnik informacji opracowany na Uniwersytecie Warszawskim

Jak donosi PAP za pośrednictwem serwisu Nauka w Polsce, w pracowniach Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego opracowano metodę zapisu i odczytu informacji w pojedynczym atomie manganu. Przeprowadzony eksperyment może przyczynić się do budowy komputerów o ogromnych mocach obliczeniowych.

Według Narodowego Laboratorium Technologii Kwantowych (NLTK) - w skład którego wchodzi m.in. UW - współczesne komputery stają się coraz szybsze dzięki miniaturyzacji: liczba tranzystorów w komputerowych procesorach podwaja się mniej więcej co półtora roku. Miniaturyzacji nie można jednak kontynuować w nieskończoność, na przeszkodzie staje ziarnista, atomowa struktura materii.

"Dotarliśmy do fizycznego limitu rozmiarów elementów przetwarzających informację. Co więcej, przechowujemy ją za pomocą efektów kwantowych, które w przyszłości będzie można wykorzystać do budowy komputerów nowego typu, o wielkich mocach obliczeniowych" - informuje prof. Jan Gaj z Wydziału Fizyki UW.

Prace prowadzone przez naukowców z WF UW wykazały, że informację kwantową można z powodzeniem zapisać w pojedynczym atomie manganu, a następnie przetworzyć w nim i odczytać.

Współczesne komputery operują na klasycznych bitach. Każdy taki bit może przyjmować tylko dwa stany, którym przypisuje się umowne wartości "0" i "1". Komputer kwantowy będzie zawierał kubity, czyli bity kwantowe, które mogą znajdować się także w mieszaninie swych dwóch stanów (superpozycji). W jednym atomie manganu daje się zapisać więcej niż 2, lecz mniej niż 3 bity informacji. Podobnie jak zwykły kubit, atom manganu może znajdować się w superpozycji swoich stanów. Gdyby taki stan udało się rozszerzyć na grupę atomów manganu, każdy kolejny atom zwielokrotniałby możliwości obliczeniowe komputera kwantowego.

Jak podaje NLTK, komputer kwantowy z 10 atomów manganu w każdym kroku przetwarzałby ponad 60 milionów stanów, a zbudowany ze zwykłych kubitów zaledwie nieco ponad tysiąc. W tym czasie klasyczny komputer przetworzyłby tylko jeden stan z 1024 możliwych.

Przed przystąpieniem do doświadczeń na pojedynczych atomach, naukowcy najpierw wyhodowali tzw. kropki kwantowe, czyli powstające na drodze samoorganizacji struktury półprzewodnikowe wielkości miliardowych części metra. Są one wykonane z tellurku kadmu, otoczonego tellurkiem cynku. Kropki kwantowe są niekiedy nazywane "sztucznymi atomami", ponieważ uwięzione w nich elektrony emitują światło podobnie jak w atomach, w postaci fotonów o ściśle określonych energiach.

Na rosnące w próżni kropki kwantowe skierowano słabą wiązkę atomów manganu, by na jak największej liczbie kropek osadzić po jednym atomie. Tak przygotowana płytka trafiła na Wydział Fizyki UW, gdzie naukowcy umieścili ją w optycznym układzie pomiarowym. Za jego pomocą można w kilka godzin odszukać kropki z pojedynczymi atomami manganu.

Jak informuje NLTK, na pojedynczej płytce półprzewodnikowej powstaje wiele kropek kwantowych. Składają się one z tysięcy atomów, w każdym przypadku rozmieszczonych nieco inaczej. Każda kropka emituje fotony o energiach charakterystycznych tylko dla siebie. Efekt ten jest istotny, bo pozwala fizykom wybrać jedną, konkretną kropkę kwantową i nawiązać z nią kontakt. Emitowane przez kropkę fotony niosą informację o stanie uwięzionych w niej elektronów.

Subtelnych metod wymaga przełączenie manganu do wybranego stanu spinowego. W tym celu na płytce półprzewodnikowej naukowcy z WF UW wyszukują dwie kropki, które powstały tak blisko siebie, że tworzą parę. Za pomocą światła laserowego można wówczas "wrzucić" elektron o określonym spinie do jednej kropki, skąd przetuneluje do drugiej, z atomem manganu i zacznie z nim oddziaływać. Powtarzając ten proces wielokrotnie, fizycy potrafią wprowadzić atom manganu w wybrany stan spinowy. W nowym stanie atom przebywa przez mniej więcej jedną tysięczną sekundy.

"Milisekunda to niewiele, trzeba jednak pamiętać, że potrafimy w tym czasie zmienić stan atomu nawet kilkaset tysięcy razy. To wystarczy, aby przeprowadzić cały szereg operacji" - zaznacza prof. Gaj.

Badania będzie można prowadzić z jeszcze większą precyzją dzięki wyposażeniu dostarczanemu przez NLTK: nowym femtosekundowym laserom impulsowym, nadprzewodzącemu magnesowi wytwarzającemu pole magnetyczne silniejsze od generowanego przez magnesy działające w tunelu akceleratora LHC i strojonemu oscylatorowi optycznemu, za pomocą którego precyzyjnie dopasowuje się częstotliwość światła laserowego do częstotliwości drgań elektronu w danej kropce kwantowej.

"Dzięki tak nowoczesnej aparaturze będziemy mogli kontynuować prace badawcze na najwyższym poziomie i przeprowadzać doświadczenia, których przed nami nie zrobił nikt na świecie" - podkreśla prof. Gaj.

(bj)