Κατάφεραν να διατηρήσουν ένα σύστημα κβαντικής μνήμης σταθερό σε θερμοκρασία δωματίου, αλλά και να αναπτύξουν ένα μαγνητικό μέσο αποθήκευσης στο οποίο κάθε bit αντιστοιχεί σε ένα μόνο άτομο.

Στους σημερινούς υπολογιστές, κάθε bit πληροφορίας μπορεί να βρίσκεται είτε στην κατάσταση «0» είτε στην κατάσταση «1». Στους κβαντικούς υπολογιστές, όμως, κάθε κβαντικό bit ή qubit μπορεί να παίρνει τις τιμές «0» και «1» ταυτόχρονα, χάρη σε ένα αλλόκοτο κβαντικό φαινόμενο που ονομάζεται υπέρθεση.

Και αυτή η ικανότητα των qubit να βρίσκονται σε δύο καταστάσεις θα επέτρεπε στους κβαντικούς υπολογιστές να εκτελούν πολλούς υπολογισμούς ταυτόχρονα.

Ένα από τα βασικά προβλήματα στην ανάπτυξη τέτοιων υπολογιστών είναι ότι τα qubit είναι εξαιρετικά ασταθή, δηλαδή έχουν την τάση να χάνουν την αρχική κβαντική τους κατάσταση και μετατρέπονται σε απλά «0» ή «1».

Μελέτη που δημοσιεύεται από διεθνή ερευνητική ομάδα στο τελευταίο τεύχος του Science αυξάνει τώρα σημαντικά το χρόνο ζωής των qubit. Οι καταστάσεις υπέρθεσης στο πειραματικό σύστημα διατηρήθηκαν αναλλοίωτες σε θερμοκρασία δωματίου για το χρόνο ρεκόρ των 29 λεπτών, συγκριτικά με μόλις 2 δευτερόλεπτα στον προηγούμενο κάτοχο του ρεκόρ.

Οι ερευνητές κωδικοποίησαν πληροφορίες σε άτομα φωσφόρου, τα οποία είχαν τοποθετηθεί σε μια πλάκα από πυρίτιο από το οποίο είχε πρώτα απομακρυνθεί κάθε ακαθαρσία που θα μπορούσε να διαταράξει τη μαγνητική κατάσταση των ατόμων.

Τα άτομα έχουν μια εγγενή ιδιότητα που ονομάζεται ιδιοστροφορμή ή σπιν και τα κάνει να συμπεριφέρονται ουσιαστικά σαν μικροσκοπικοί μαγνήτες. Ανάλογα με το πού είναι στραμμένοι οι πόλοι του μαγνήτη, το spin μπορεί να παίρνει τιμές «0» ή «1» ή να παίρνει κλίση ανάμεσα σε αυτές τις δύο καταστάσεις, οπότε υπάρχει υπέρθεση των καταστάσεων «0» και «1».

Χρησιμοποιώντας τα κατάλληλα μαγνητικά πεδία, οι ερευνητές ανάγκασαν το σπιν των ατόμων φωσφόρου να πάρει κλίση και να δημιουργήσει έτσι μια υπέρθεση δύο καταστάσεων. Το πείραμα έδειξε ότι η υπέρθεση έμενε σταθερή για τρεις ώρες σε θερμοκρασία -269 βαθμών Κελσίου και για 29 λεπτά σε θερμοκρασία 25 βαθμών  -χρόνος θεωρητικά αρκετός για εκατομμύρια υπολογισμούς.

«Αυτοί οι χρόνοι ζωής είναι δεκαπλάσιοι σε σχέση με προηγούμενα πειράματα. Αναπτύξαμε ένα σύστημα που φαίνεται να μην έχει καθόλου θόρυβο. Πρόκειται για qubit υψηλής απόδοσης» σχολίασε η Στέφανι Σίμονς του Πανεπιστημίου της Οξφόρδης, μέλος της ερευνητικής ομάδας.

Στην πραγματικότητα όμως όλα τα qubit του συστήματος βρίσκονταν στις ίδιες καταστάσεις. Επόμενο βήμα θα είναι να πραγματοποιήσει το σύστημα υπολογισμούς τοποθετώντας διαφορετικά qubit σε διαφορετικές καταστάσεις.

Στη δεύτερη μελέτη, η οποία παρουσιάζεται στο Nature, ερευνητές του Ινστιτούτου Τεχνολογίας της Καρλσρούης, αναφέρουν ότι κατάφεραν αν διατηρήσουν σταθερό για δέκα λεπτά ένα bit που αποτελούνταν από ένα και μόνο άτομο.

Στις σημερινές μαγνητικές μνήμες, όπως για παράδειγμα οι σκληροί δίσκοι, κάθε bit πληροφορίας πρέπει να αποτελείται από εκατομμύρια άτομα προκειμένου να διατηρεί σταθερή την κατάστασή του ως «0» ή «1».

«Ένα μεμονωμένο άτομο, τοποθετημένο σε ένα υπόστρωμα, είναι τόσο ευαίσθητο ώστε ο μαγνητικός προσανατολισμός του [το σπιν] είναι σταθερό μόνο για κλάσματα του μικροδευτερολέπτου» επισημαίνει ο Βουλφ Βούλφχεκελ, επικεφαλής της έρευνας.

Η λύση ήταν να τοποθετηθεί ένα άτομο του εξωτικού στοιχείου όλμιου πάνω σε ένα υπόστρωμα από πλατίνα. Ο συνδυασμός των δύο συγκεκριμένων υλικών εξουδετέρωσε τις αλληλεπιδράσεις του bit με το υπόστρωμα και διατήρησε σταθερό το spin του ατόμου για δέκα λεπτά.

Ο χρόνος αυτός «είναι περίπου ένα δισεκατομμύριο φορές μεγαλύτερος από ό,τι σε άλλα, συγκρίσιμα ατομικά συστήματα» υπερηφανεύεται ο Βούλφχεκελ.

Επόμενο στάδιο θα είναι να εγγραφούν πληροφορίες στην ατομική μνήμη με τη χρήση εξωτερικών μαγνητικών πεδίων. Στο απώτερο μέλλον, η νέα προσέγγιση θα μπορούσε να αυξήσει την πυκνότητα των δεδομένων στα μαγνητικά μέσα αποθήκευσης ή ακόμα να αξιοποιηθεί σε κβαντικούς υπολογιστές.

Επιμέλεια: Βαγγέλης Πρατικάκης

Η νέα μορφή του κασσίτερου βαφτίστηκε «στανένιο», ένας συνδυασμός του stannum, της λατινικής λέξης για τον κασσίτερο, με την κατάληξη «-ένιο» που χρησιμοποιείται και για το γραφένιο -μια μορφή του άνθρακα που έχει επίσης τη μορφή φύλλων με πάχος ενός ατόμου. Επειδή τα φύλλα αυτά έχουν αμελητέο πάχος ονομάζονται συχνά και «δισδιάστατα» υλικά.

Ερευνητές του Πανεπιστημίου του Στάνφορντ και του αμερικανικού υπουργείου Ενέργειας παρουσιάζουν τώρα θεωρητικούς υπολογισμούς που δείχνουν ότι το στανένιο θα ήταν ιδανικό για τη βιομηχανία ημιαγωγών.

Σύμφωνα με τη μελέτη, η οποία δημοσιεύεται στο Physical Review Letters, ο δισδιάστατος κασσίτερος θα πρέπει να συμπεριφέρεται ως «τοπολογικός μονωτής». Τα υλικά αυτής της κατηγορίας επιτρέπουν τη διέλευση ηλεκτρικού ρεύματος μόνο στις άκρες τους ή στην εξωτερική τους επιφάνεια, όχι όμως από το εσωτερικό τους. Όταν μάλιστα οι τοπολογικοί μονωτές έχουν πάχος ενός ατόμου, άγουν τον ηλεκτρισμό με απόδοση 100%.

Οι ασυνήθιστες ιδιότητες των τοπολογικών μονωτών προκύπτουν από περίπλοκες αλληλεπιδράσεις ανάμεσα στα ηλεκτρόνια και τα βαρέα μέταλλα που συνήθως περιέχουν αυτά τα υλικά. Οι υπολογισμοί των ερευνητών δείχνουν τώρα ότι ο κασσίτερος θα ήταν ιδανικό υλικό, καθώς θα λειτουργούσε ως τοπολογικός μονωτής σε θερμοκρασία δωματίου.

Εφόσον οι προβλέψεις της μελέτης επιβεβαιωθούν με εργαστηριακά πειράματα, ο δισδιάστατος τσίγκος θα μπορούσε αρχικά να χρησιμοποιηθεί στα μικροσκοπικά καλώδια που συνδέουν στοιχεία του ίδιου ηλεκτρονικού τσιπ.

Αργότερα θα μπορούσε να αντικαταστήσει πλήρως το πυρίτιο, αρκεί να βρεθεί τρόπος να μην υπερβαίνει ποτέ σε πάχος το ένα άτομο και να μην φθείρεται από τις μεθόδους παραγωγής που εφαρμόζει η βιομηχανία ημιαγωγών.

Η αλήθεια είναι βέβαια ότι υπάρχουν κι άλλα υλικά που θα μπορούσαν να διαδεχθούν το πυρίτιο, όπως το γραφένιο και οι νανοσωλήνες άνθρακα.

Όπως όμως προβλέπει ο Σουσένγκ Ζανγκ του Στάνφορντ, μέλος της ερευνητικής ομάδας, η Κοιλάδα του Πυριτίου (Silicon Valley) θα μπορούσε μια μέρα να αντικατασταθεί από την Κοιλάδα του Τσίγκου.

Επιμέλεια: Βαγγέλης Πρατικάκης