Avastuse keskmes on kindlate omadustega ioonid, mis saavad käituda kvantbittidena. Need annavad kvantarvutitele seni uuritud lahendustega võrreldes ülisuure arvutuskiiruse ja parema töökindluse.

Kui tavaarvutites on infoühikuteks bitid, siis kvantarvutites on tegu kvantbittidega. Tavalises arvutis kannab infot enamasti elekter väljatransistoritest koosnevates mälurakkudes. Kvantarvutis on infokandjadaga sõltuvalt arvuti tüübist palju väiksemad osakesed, näiteks ioonid, footonid ja elektronid.

Kvantbiti infot võimaldab kanda selle osakese mingi omadus, näiteks elektroni spinn või footoni polarisatsioon, mis võib olla kahes seisundis. Kui tavalise biti võimalikud väärtused on 0 või 1, siis kvantbitil on võimalikud ka nende väärtuste vahepealsed variandid. Vahepealset olekut nimetatakse superpositsiooniks. See annabki kvantarvutitele suutlikkuse lahendada ülesandeid, millega tavaarvutid mõistliku aja jooksul hakkama ei saa.

Segukristallide ioonidest kvantbitid

Tartu Ülikooli füüsika instituudi teadlased eesotsas Vladimir Hižnjakoviga näitasid, et ülikiirete optiliste kvantarvutite ehitamiseks võiks kasutada haruldasi muldmetalle. Lisades praseodüümi või mõne teise haruldase muldmetalli mikromõõtmetega segukristallidele fluori ja teiste haruldaste muldmetallide ioone, võib saada uut tüüpi kvantbitte.

Tartu Ülikooli tahkiseteooria kaasprofessori, akadeemik Vladimir Hižnjakovi sõnul on seejuures ioonide valikul esmatähtsad nende väga erinevate omadustega elektronolekud.

"Nende seas peab olema vähemalt kaks olekut, mille korral on ioonide vastasmõju väga nõrk. Need olekud sobivad kvantloogilisteks põhioperatsioonideks üksikutel kvantbittidel. Lisaks on vaja olekut või olekuid, mille puhul on ioonide vastasmõju tugev – need olekud võimaldavad tingimustega kvantloogilisi operatsioone kahe või enama kvantbitiga," selgitas Hižnjakov.

Kõiki neid olekuid peab olema võimalik säilitada mitmeid milli- või mikrosekundeid, mis on kvantmaailmas pikk ajavahemik. Samuti peavad olema nende olekute vahel lubatud optilised üleminekud.

Tema sõnul pole selliste ioonide leidmist seni võimalikuks peetud, seetõttu pole kvantbittideks sobivaid osakesi nende seast ka otsitud. "Seni on kvantbittide ülesannete täitmiseks uuritud peamiselt aatomituumade spinnide seisundeid. Nende sagedus on aga miljon korda väiksem kui meie kvantbittidel. Seepärast oleks ka nende põhjal loodavad kvantarvutid meie ioonidel põhinevate kvantbittidega arvutitest tohutult palju aeglasemad," selgitas ta.

Kiirem töö ja vähem vigu

Ülikiire töötsükkel aitaks aga Hižnjakovi sõnul ületada ühe suurima takistuse kvantarvutite arendamise teel. Nimelt on kvantbitid ümbritseva keskkonna suhtes väga tundlikud, mistõttu võib igasugune keskkonnahäiring viia vigadeni kvantarvuti töös. "Kvantbittide koherentsusaeg ehk puhta kvantseisundi kestus on väga lühike. Mida kiirem on arvutustsükkel, seda vähem jõuab ümbritsev keskkond kvantbittide tööd häirida," selgitas Hižnjakov.

Kkvantbittide komplekti valmimiseks arvutina töötavas mikrokristallis võiks kasutada varem Tartu Ülikooli füüsika instituudis laserspektroskoopia laboris välja töötatud spektraalsälkamise meetodit. See on Hižnjakovi sõnul üks tänapäeva võimsamaid optilise spektroskoopia meetodeid, mis võimaldab määrata mikrokristalli ioonide olekud, et leida nende seast kvantbittideks sobivaimaid.

Kuigi päriselt töötava kvantarvutini on minna veel pikk ja takistusi täis tee, on Tartu Ülikooli laserspektroskoopia laboris alustatud uuel meetodil põhineva kvantarvuti katseprototüübi ehitamist. Teadlaste sõnul on nad uut tüüpi kvantarvuti põhielementide töö esitlemise lävel.

Valminud uuring on osa füüsika instituudi tahkiseteooria ja laserspektroskoopia laborite koostööprojektist "Haruldaste muldmetallide lisandioonide klastrite põimolekute spektroskoopia kvantarvutite jaoks". Lisakss Hižnjakovile lõi töös kaasa Vadim Boltruško, Helle Kaasik ja Jurii Orlovskii. Uut lähenemist kirjeldava uuringu tulemused ilmusid teadusajakirjas Optics Communications.