science >> Wetenschap >  >> Fysica

Electron-photon smalltalk kan grote impact hebben op kwantumcomputers

Een door Princeton University geleid team heeft een apparaat gebouwd dat op silicium gebaseerde kwantumcomputers vooruit helpt. die, wanneer gebouwd, in staat zal zijn om problemen op te lossen die de mogelijkheden van alledaagse computers te boven gaan. Het apparaat isoleert een elektron zodat het zijn kwantuminformatie kan doorgeven aan een foton, die vervolgens kan fungeren als een boodschapper om de informatie naar andere elektronen te dragen om de circuits van de computer te vormen. Krediet:Princeton University

In een stap die op silicium gebaseerde kwantumcomputers dichter bij de realiteit brengt, onderzoekers van Princeton University hebben een apparaat gebouwd waarin een enkel elektron zijn kwantuminformatie kan doorgeven aan een lichtdeeltje. Het deeltje licht, of foton, kan dan fungeren als een boodschapper om de informatie naar andere elektronen te brengen, verbindingen maken die de circuits van een kwantumcomputer vormen.

Het onderzoek, gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschap en uitgevoerd bij Princeton en HRL Laboratories in Malibu, Californië, vertegenwoordigt een inspanning van meer dan vijf jaar om een ​​robuust vermogen te bouwen voor een elektron om met een foton te praten, zei Jason Petta, een Princeton hoogleraar natuurkunde.

"Net als in menselijke interacties, om een ​​goede communicatie te hebben, moeten een aantal dingen lukken - het helpt om dezelfde taal te spreken, enzovoort, Petta zei. "We zijn in staat om de energie van de elektronische toestand in resonantie te brengen met het lichtdeeltje, zodat de twee met elkaar kunnen praten."

De ontdekking zal de onderzoekers helpen licht te gebruiken om individuele elektronen te koppelen, die fungeren als de bits, of kleinste gegevenseenheden, in een kwantumcomputer. Quantumcomputers zijn geavanceerde apparaten die, wanneer gerealiseerd, kan geavanceerde berekeningen uitvoeren met kleine deeltjes zoals elektronen, die de kwantumregels volgen in plaats van de fysieke wetten van de alledaagse wereld.

Elke bit in een alledaagse computer kan de waarde 0 of 1 hebben. Quantumbits, ook wel qubits genoemd, kunnen de status 0 hebben, 1, of zowel een 0 als een 1 tegelijk. Deze superpositie, zoals het bekend is, stelt kwantumcomputers in staat om complexe vragen aan te pakken die de huidige computers niet kunnen oplossen.

Er zijn al eenvoudige kwantumcomputers gemaakt met behulp van ingesloten ionen en supergeleiders, maar technische uitdagingen hebben de ontwikkeling van op silicium gebaseerde kwantumapparaten vertraagd. Silicium is een zeer aantrekkelijk materiaal omdat het goedkoop is en al veel wordt gebruikt in de huidige smartphones en computers.

De onderzoekers vingen zowel een elektron als een foton op in het apparaat, vervolgens de energie van het elektron zo aangepast dat de kwantuminformatie naar het foton kon worden overgebracht. Deze koppeling stelt het foton in staat om de informatie van de ene qubit naar de andere te transporteren tot op een centimeter afstand.

Kwantuminformatie is uiterst kwetsbaar - het kan volledig verloren gaan door de geringste verstoring van de omgeving. Fotonen zijn robuuster tegen verstoring en kunnen mogelijk kwantuminformatie niet alleen van qubit naar qubit in een kwantumcomputercircuit vervoeren, maar ook tussen kwantumchips via kabels.

Om deze twee zeer verschillende soorten deeltjes met elkaar te laten praten, echter, onderzoekers moesten een apparaat bouwen dat de juiste omgeving bood. Eerst, Peter Deelman bij HRL Laboratoria, een bedrijfslaboratorium voor onderzoek en ontwikkeling dat eigendom is van de Boeing Company en General Motors, vervaardigde de halfgeleiderchip uit lagen silicium en siliciumgermanium. Deze structuur hield een enkele laag elektronen vast onder het oppervlak van de chip. Volgende, onderzoekers van Princeton legden kleine draadjes, elk slechts een fractie van de breedte van een mensenhaar, over de bovenkant van het apparaat. Deze draden ter grootte van een nanometer stelden de onderzoekers in staat om spanningen te leveren die een energielandschap creëerden dat in staat is om een ​​enkel elektron te vangen, het opsluiten in een gebied van het silicium dat een dubbele kwantumstip wordt genoemd.

De onderzoekers gebruikten diezelfde draden om het energieniveau van het gevangen elektron aan te passen aan dat van het foton, die opgesloten zit in een supergeleidende holte die bovenop de siliciumwafel is gefabriceerd.

Voorafgaand aan deze ontdekking, halfgeleiderqubits konden alleen worden gekoppeld aan aangrenzende qubits. Door licht te gebruiken om qubits te koppelen, het kan mogelijk zijn om informatie door te geven tussen qubits aan tegenovergestelde uiteinden van een chip.

De kwantuminformatie van het elektron bestaat uit niets meer dan de locatie van het elektron in een van de twee energiepockets in de dubbele kwantumstip. Het elektron kan de ene of de andere zak innemen, of beide tegelijk. Door de spanningen te regelen die op het apparaat worden toegepast, de onderzoekers kunnen bepalen welke zak het elektron inneemt.

"We hebben nu de mogelijkheid om de kwantumtoestand daadwerkelijk door te geven aan een foton dat in de holte is opgesloten, " zei Xiao Mi, een afgestudeerde student in Princeton's Department of Physics en eerste auteur op het papier. "Dit is nog nooit eerder gedaan in een halfgeleiderapparaat omdat de kwantumtoestand verloren was voordat het zijn informatie kon overbrengen."

Het succes van het apparaat is te danken aan een nieuw circuitontwerp dat de draden dichter bij de qubit brengt en interferentie van andere bronnen van elektromagnetische straling vermindert. Om dit geluid te verminderen, de onderzoekers plaatsten filters die vreemde signalen verwijderen van de draden die naar het apparaat leiden. De metalen draden schermen ook de qubit af. Als resultaat, de qubits zijn 100 tot 1000 keer minder luidruchtig dan de qubits die in eerdere experimenten werden gebruikt.

Uiteindelijk zijn de onderzoekers van plan om het apparaat uit te breiden om te werken met een intrinsieke eigenschap van het elektron dat bekend staat als zijn spin. "Op de lange termijn willen we systemen waarbij spin en lading aan elkaar worden gekoppeld om een ​​spin-qubit te maken die elektrisch kan worden bestuurd, "Zei Petta. "We hebben aangetoond dat we een elektron coherent aan licht kunnen koppelen, en dat is een belangrijke stap in de richting van het koppelen van spin aan licht."

David DiVincenzo, een natuurkundige aan het Instituut voor Quantum Informatie aan de RWTH Aachen University in Duitsland, die niet bij het onderzoek betrokken was, is de auteur van een invloedrijk artikel uit 1996 waarin vijf minimale vereisten worden uiteengezet die nodig zijn voor het maken van een kwantumcomputer. Van het Princeton-HRL-werk, waar hij niet bij betrokken was, DiVincenzo zei:"Het is een lange strijd geweest om de juiste combinatie van omstandigheden te vinden die de sterke koppelingsconditie voor een qubit met één elektron zouden bereiken. Ik ben blij te zien dat er een gebied met parameterruimte is gevonden waar het systeem kan gaan voor het eerst in het gebied van sterke koppelingen."