Kvantarvutus on aastaid kujutatud kui tulevikutehnoloogiat, mis suudab lahendada ülesandeid, millega tänapäeva superarvutid ei tuleks toime isegi miljonite aastate jooksul. Nende süsteemide arendamist on seni pidurdanud aga oluline probleem – neid on keeruline suurendada ning need on äärmiselt tundlikud keskkonnamõjude suhtes. Seepärast kõlab USA teadlaste värske avastus tõelise sensatsioonina: selgus, et kõigest paar nanomeetrit kulda võib käituda nagu ideaalsed kvantelemendid, mida seni loodi keerukate ja ebapraktiliste gaasifaasil põhinevate aatomilõksude abil. Sellised „kuldseteks superaatomiteks“ nimetatud struktuurid võivad mitte ainult konkureerida maailma parimate kvantlahendustega, vaid neid saab ka toodetud tööstuslikus mahus – see on esimene reaalne samm tõeliselt skaleeritavate kvantarvutite suunas.
Kuldsed nanoosakesed, mis võivad kvantarvutid ümber mõtestada
Kui kvanttehnoloogiate arendajad maadlesid seni gaassüsteemidega, mille aatomitel on erilised elektronide spinniga seotud omadused, leidsid Pennsylvania State University ja Colorado State University teadlased uue lähenemise. Avastus on lihtne, kuid rabav: spetsiaalselt kujundatud kuldsed nanoklastrid matkivad nende aatomite käitumist, mida kasutatakse tipptasemel kvantseadmetes. Neid klastreid saab kohandada molekulaarsel tasemel ning nende tootmine on suhteliselt lihtne ja sobib suurte koguste jaoks.
Uurimuse juht, Pennsylvania State University keemiakateedri juhataja professor Ken Knappenberger rõhutas, et neil klastritel on samad elektronspinni omadused, mida suudeti varem saavutada ainult äärmiselt keerukate gaasifaasil aatomilõksude abil. Veelgi olulisem on, et teadlastel õnnestus reguleerida spinnipolarisatsiooni, mida tavapärastes kvantmaterjalides peetakse peaaegu muutumatuks konstandiks. Kuldsetest nanoklastritest sai tõend, et kvantinfot on võimalik juhtida paindlikumalt, odavamalt ja hõlpsamini skaleeritavalt kui seni.
Elektronide spinn – kvanttehnoloogia varjatud jõuallikas
Elektroni spinn on määrav nii keemilistes reaktsioonides kui ka kvantsüsteemides – eriti kvantarvutites ja ülitäpsetes andurites. See, kuidas spinnid on ruumis paigutunud ja kui hästi nad suudavad omavahelist sünkroonsust säilitada, määrab kvantarvutuste täpsuse ja info säilimise kestuse. Uurimistöö üks peamisi autoreid Nate Smith meenutab, et materjalid, milles elektronid suudavad hoida püsivaid omavahelisi korrelatsioone, on täpsemad ja töökindlamad.
Parimad tulemused saavutati seni nn laetud aatomeid sisaldavate gaasisüsteemidega. Neis saab elektrone viia Rydbergi olekutesse, mida iseloomustab pikaajaline ja stabiilne spinnipolarisatsioon ning võime eksisteerida superpositsioonis – see on kvantarvutuse tuum. Samas on sellised süsteemid oma olemuselt haruldased ja raskesti skaleeritavad: gaasifaasis paiknevad aatomid väga hõredalt ning iga katse luua tihedamat süsteemi rikub kvantinfo.
Kuldsed klastrid kui tillukesed superaatomid
Uus uurimus näitab, et nn monolayer-protected tüüpi kuldklastrid, mis koosnevad kuldsüdamikust ja seda ümbritsevatest molekulidest ehk liganditest, võivad taasesitada kõiki vajalikke kvantomadusi. Nende klastrite elektronilised omadused meenutavad üksikaatomi käitumist, mistõttu teadlased nimetavad neid „superaatomiteks“.
Veelgi tähelepanuväärsem on, et uurijad tuvastasid koguni 19 unikaalset spinnipolariseeritud olekut, mis sarnanevad Rydbergi olekutele. Varem oli selline olekute mitmekesisus kättesaadav ainult gaasifaasis hoitavatel aatomitel. See tähendab, et kuldsed nanoklastrid võivad teoreetiliselt teostada samu kvantoperatsioone, kuid ilma keeruka ja kalli aparatuurita.
Spinni juhtimine – suur läbimurre
Üks olulisemaid avastuse tahke on võimalus muuta spinnipolarisatsiooni klastrite ligandite vahetamisega. Üks uuritud klaster demonstreeris 7-protsendilist spinnipolarisatsiooni, teine – teistsuguse ligandistruktuuriga – aga peaaegu 40-protsendilist. Selline tase on võrreldav tipptasemel kahemõõtmeliste kvantmaterjalidega.
Knappenberger rõhutas, et spinniga seotud omadused on otseselt seotud molekulaarsete vibratsioonide intensiivsusega. Teisisõnu: kui klastrit ümbritsevat keemilist keskkonda muuta, muutuvad ka selle kvantomadused. Taoline juhitavus on ülimalt haruldane ja äärmiselt ihaldusväärne kvantsüsteemide loomisel.
Teadlaste järgmine samm on uurida, kuidas konkreetsed ligandimuudatused võimaldavad klastrite kvantkäitumist täpsemalt kontrollida. See avab täiesti uue suuna, kus keemikud saavad sünteesimeetodite abil kujundada kvantmaterjale täpselt soovitud omadustega – midagi, mida peeti seni peaaegu võimatuks.
Tuleviku kvantseadmed kui keemilise disaini vili
See uurimus tähistab uut ajastut kvanttehnoloogias – sellist, kus ülitäpsed kvantomadused ei ole saavutatavad üksnes füüsikaliste võtetega, vaid ka sihipärase keemilise disainiga. Nii võivad tulevased kvantarvutid, andurid, sidesüsteemid ja muud kõrgtehnoloogilised seadmed muutuda mitte ainult väiksemaks ja odavamaks, vaid ka reaalselt tööstuslikus mastaabis skaleeritavaks.
Uurimistööd rahastasid USA Õhuväe teadusuuringute amet (Air Force Office of Scientific Research) ja Riiklik Teadusfond (National Science Foundation). Tulemused avaldati kahtes mainekas teadusajakirjas – ACS Central Science ja The Journal of Physical Chemistry Letters.
Fotod on illustratiivsed © Canva, kui pole märgitud teisiti.
