نقطه‌های کوانتومی نیمه‌رسانا یکی از گزینه‌های مورد توجه برای ساخت رایانه‌های کوانتومی مقیاس‌پذیر هستند. این ساختارهای بسیار کوچک می‌توانند الکترون‌ها را در فضای محدودی محبوس کنند و از ویژگی کوانتومی اسپین آن‌ها برای ذخیره و پردازش اطلاعات استفاده شود. تاکنون موادی مانند سیلیکون و آرسنید گالیم به‌طور گسترده برای ساخت چنین سامانه‌هایی بررسی شده‌اند؛ اما اکسید روی نیز به‌عنوان ماده‌ای جایگزین، ویژگی‌هایی دارد که می‌تواند آن را به گزینه‌ای جذاب برای فناوری‌های کوانتومی تبدیل کند.
یکی از ویژگی‌های مهم اکسید روی، محیط هسته‌ای با اسپین هسته‌ای پایین آن است. چنین محیطی می‌تواند به کاهش برهم‌کنش‌های ناخواسته میان اسپین الکترون و محیط اطراف کمک کند و در نتیجه، احتمال حفظ حالت اسپینی الکترون برای مدت طولانی‌تر را افزایش دهد. اکسید روی همچنین دارای گاف انرژی مستقیم است؛ ویژگی‌ای که می‌تواند در آینده امکان برقراری ارتباط نوری با حالت‌های کوانتومی را فراهم کند.
با وجود این ویژگی‌ها، یک مانع مهم بر سر راه استفاده از اکسید روی در رایانش کوانتومی باقی مانده بود: تشخیص سریع و دقیق وضعیت بار الکترون‌ها در نقطه‌های کوانتومی این ماده. در سامانه‌های کوانتومی، تنها محبوس کردن الکترون کافی نیست؛ پژوهشگران باید بتوانند وضعیت آن را با سرعت و دقت بالا اندازه‌گیری کنند، زیرا هرچه خوانش حالت کوانتومی سریع‌تر و دقیق‌تر باشد، امکان کنترل بهتر فرایندهای کوانتومی نیز فراهم می‌شود.
گروه تحقیقاتی برای حل این مشکل، افزاره‌ای از جنس اکسید روی ساخت که در آن دو نقطه کوانتومی هدف با نام‌های QD1 و QD2 در کنار یک نقطه کوانتومی حسگر قرار گرفته بودند. این نقطه کوانتومی حسگر که با عنوان SQD شناخته می‌شود، مانند یک الکترومتر بسیار حساس عمل می‌کند و می‌تواند تغییرات بسیار کوچک در بار الکتریکی سامانه را تشخیص دهد.
۴پژوهشگران سپس این حسگر را به یک مدار تشدیدکننده با فرکانس رادیویی متصل کردند. این ترکیب به آن‌ها امکان داد از روش «بازتاب‌سنجی با فرکانس رادیویی» (Radio-Frequency Reflectometry) استفاده کنند؛ روشی که می‌تواند تغییرات بار الکترون‌ها را با سرعت بسیار بیشتری نسبت به اندازه‌گیری‌های متعارف شناسایی کند.
تاموهیرو اوتسوکا (Tomohiro Otsuka)، دانشیار مؤسسه پیشرفته پژوهش مواد (WPI-AIMR) در دانشگاه توهوکو، درباره اهمیت این دستاورد می‌گوید که در رایانش کوانتومی، فناوری‌هایی که امکان خوانش سریع حالت‌های کوانتومی را فراهم می‌کنند، ضروری هستند. به گفته او، نمایش موفقیت‌آمیز بازتاب‌سنجی با فرکانس بالا در اکسید روی، یک روش اندازه‌گیری مهم برای ارزیابی سریع حالت‌های کوانتومی در این ماده منحصربه‌فرد فراهم کرده است.
اما آزمایش پژوهشگران تنها به تشخیص بار الکتریکی محدود نشد. آن‌ها با استفاده از همان افزاره توانستند الکترون‌های منفرد را نیز در ساختار خود محبوس کنند و شکل‌گیری یک نقطه کوانتومی دوتایی با تعداد بسیار کمی الکترون را تأیید کنند. این ساختار از آن جهت اهمیت دارد که یکی از پایه‌های اساسی برای بررسی و به‌کارگیری «کیوبیت‌های اسپینی» به شمار می‌رود.
در کیوبیت‌های اسپینی، اطلاعات کوانتومی می‌تواند در وضعیت اسپین یک الکترون رمزگذاری شود. در ساده‌ترین تصویر، اسپین را می‌توان دارای دو حالت متفاوت در نظر گرفت که می‌توانند نقش حالت‌های پایه اطلاعات کوانتومی را ایفا کنند. بااین‌حال، برای استفاده عملی از چنین کیوبیت‌هایی، پژوهشگران باید بتوانند اسپین را با دقت کنترل کنند، وضعیت آن را بخوانند و مدت‌زمان حفظ حالت کوانتومی را نیز اندازه‌گیری کنند.
دستاورد جدید از این منظر اهمیت دارد که بخشی از خلأ تجربی موجود در توسعه افزاره‌های کوانتومی مبتنی بر اکسید روی را پر می‌کند. اوتسوکا می‌گوید این پژوهش یک سکوی اندازه‌گیری پرسرعت در اختیار دانشمندان قرار می‌دهد که می‌تواند برای بررسی ویژگی‌های بنیادی اسپین، از جمله «زمان آسایش اسپین» (Spin Relaxation Time) و «زمان همدوسی» (Coherence Time)، مورد استفاده قرار گیرد.
زمان آسایش اسپین نشان می‌دهد یک حالت اسپینی پیش از بازگشت به حالت تعادلی چه مدت می‌تواند حفظ شود، در حالی که زمان همدوسی به مدت‌زمانی مربوط است که اطلاعات کوانتومی پیش از آنکه بر اثر برهم‌کنش با محیط از بین برود، قابل‌حفظ باقی می‌ماند. اندازه‌گیری و افزایش این زمان‌ها از موضوعات کلیدی در مسیر توسعه کیوبیت‌های کاربردی است.
پژوهشگران برای بررسی عملکرد افزاره، جریان عبوری از نقطه کوانتومی QD1 و نقطه کوانتومی حسگر SQD را در برابر ولتاژ اعمال‌شده به یکی از الکترودهای دروازه‌ای اندازه‌گیری کردند. آن‌ها همچنین نتایج حاصل از اندازه‌گیری جریان را با داده‌های به‌دست‌آمده از بازتاب‌سنجی فرکانس رادیویی مقایسه کردند. هر دو روش رفتار مشابهی را نشان دادند که بیانگر قابلیت روش جدید برای تشخیص وضعیت بار در سامانه اکسید روی بود.
نتایج این پژوهش در مجله Physical Review Applied و در مقاله‌ای با عنوان «تشخیص بار نقطه‌های کوانتومی دوتایی اکسید روی با تعداد کم الکترون با استفاده از بازتاب‌سنجی فرکانس رادیویی» منتشر شده است.
اکنون گام بعدی گروه تحقیقاتی، حرکت از تشخیص بار به سمت خوانش و دست‌کاری مستقیم اسپین الکترون‌هاست. پژوهشگران همچنین قصد دارند زمان آسایش و همدوسی اسپین را در نقطه‌های کوانتومی اکسید روی اندازه‌گیری کنند. موفقیت در این مراحل می‌تواند مشخص کند که اکسید روی تا چه اندازه ظرفیت تبدیل‌شدن به بستری برای کیوبیت‌های اسپینی نیمه‌رسانا را دارد.
اگر این مسیر با موفقیت ادامه یابد، اکسید روی می‌تواند به جمع مواد نیمه‌رسانایی بپیوندد که برای ساخت نسل آینده افزاره‌های کوانتومی مورد بررسی قرار می‌گیرند. با این حال، نتایج فعلی را باید یک گام آزمایشگاهی مهم در مسیر توسعه این فناوری دانست، نه یک رایانه کوانتومی آماده استفاده. آنچه پژوهشگران اکنون در اختیار دارند، مجموعه‌ای از فناوری‌های کلیدی برای محبوس‌کردن تعداد اندکی الکترون و اندازه‌گیری سریع بار آن‌هاست؛ زیرساختی که می‌تواند زمینه را برای مرحله بعدی، یعنی کنترل و خوانش اطلاعات کوانتومی ذخیره‌شده در اسپین الکترون‌ها، فراهم کند.