De toekomst van quantum computing is een hot topic, niet alleen voor experts, maar ook bij veel commerciële en overheidsinstanties. In plaats van informatie te verwerken en op te slaan als bits in transistors of geheugen, die informatie beperken tot de binaire "1" of "0, " kwantumcomputers zouden in plaats daarvan kwantumsystemen gebruiken, zoals atomen, ionen, of elektronen, als "qubits" om "kwantuminformatie" in te verwerken en op te slaan, die in een oneindig aantal combinaties van "1 en 0" kan zijn. Grote technologiebedrijven, zoals Google, Microsoft, Intel, en IBM investeren fors in gerelateerde projecten die kunnen leiden tot de realisatie van de kwantumcomputer en -technologieën. Tegelijkertijd, universiteiten en onderzoeksinstituten over de hele wereld doen onderzoek naar nieuwe kwantumsystemen, geschikt voor kwantumcomputers. De Quantum Dynamics Unit van de Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST), heeft onlangs nieuwe bevindingen gedaan over elektronen die op het oppervlak van vloeibaar helium drijven, een kwantumsysteem dat een nieuwe kandidaat kan zijn voor kwantumcomputing in de realiteit. Deze resultaten zijn gepubliceerd in Fysieke beoordeling B .

Een van de veelvoorkomende problemen bij kwantumcomputeronderzoek met vaste stoffen is dat het erg moeilijk is om perfect identieke qubits te maken, omdat intrinsieke defecten of onzuiverheden in de gebruikte materialen willekeurig de prestaties van elke afzonderlijke qubit beïnvloeden. "Onze motivatie voor het nastreven van een vloeibaar heliumsysteem is dat het intrinsiek zuiver en vrij van defecten is, wat theoretisch de creatie van perfect identieke qubits mogelijk maakt. Aanvullend, we kunnen elektronen verplaatsen in dit vloeibare heliumsysteem, wat moeilijk of bijna onmogelijk is in andere kwantumsystemen, " verklaarde prof. Denis Konstantinov, hoofd van de afdeling Quantum Dynamics. Daarom, er wordt aangenomen dat het gebruik van dit systeem voor kwantumcomputing het hele veld naar een hoger niveau kan tillen.

Het gebruik van elektronen op een vloeibaar heliumoppervlak voor kwantumcomputers vereist het isoleren van individuele elektronen op een heliumoppervlak en het regelen van hun kwantumvrijheidsgraden, ofwel bewegend of draaiend. Het kan ook de beweging van elektronen naar verschillende locaties vereisen, daarom is het ook belangrijk om de fysica van de interactie tussen elektronen en het heliumoppervlak te begrijpen. Eerder werd ontdekt dat elektronen op helium een ​​tweedimensionaal kristal kunnen vormen, en enkele unieke verschijnselen treden op wanneer dit kristal langs het heliumoppervlak beweegt, door de interactie tussen elektronen en oppervlaktegolven. De OIST-wetenschappers, echter, zijn de eersten die onderzoeken hoe deze verschijnselen afhangen van de grootte van het elektronenkristal. Om dit te testen, Dr. Alexander Badrutdinov, Dr. Oleksandr Smorodin en OIST-promovendus Jui-Yin Lin, bouwde een microscopisch kanaalapparaat dat een elektronenval bevatte om een ​​kristal van een relatief klein aantal elektronen te isoleren. Dit kristal zou dan over het vloeibare heliumoppervlak worden bewogen door de elektrostatische potentiaal van een van de apparaatelektroden te veranderen. Deze beweging zou worden gedetecteerd door beeldladingen te meten, die worden geïnduceerd door de bewegende elektronen, stromen door een andere elektrode met behulp van een in de handel verkrijgbare stroomversterker en lock-in-detector.

"Dit onderzoek heeft ons enig inzicht gegeven in de fysica van de interactie tussen elektronen en het heliumoppervlak, en hebben we onze micro-engineeringcapaciteiten uitgebreid", zegt Dr. Alexander Badrutdinov, een voormalig lid van de Quantum Dynamics Unit en de eerste auteur van het artikel. "We hebben met succes een technologie toegepast om elektronen op te sluiten in microscopisch kleine apparaten, op de schaal van enkele microns. Met deze technologie bestudeerden we de beweging van microscopisch kleine tweedimensionale elektronenkristallen langs een vloeibaar heliumoppervlak en zagen geen verschil tussen de beweging van grote elektronenkristallen, op de schaal van miljoenen tot miljarden elektronen, en kristallen zo klein als enkele duizenden elektronen, wanneer theoretisch, verschillen moeten er zijn."

Dit onderzoek is de eerste stap bij OIST in het vooruitzicht om dit systeem te gebruiken voor quantum computing. Volgens Konstantinov, "de volgende stap in dit onderzoek is het isoleren van een nog kleiner elektronenkristal, en uiteindelijk, een enkel elektron, en om ze in dit systeem te verplaatsen. In tegenstelling tot andere systemen, dit systeem heeft het potentieel om een ​​puur, schaalbaar systeem met mobiele qubits." In theorie dit type systeem zou het potentieel hebben om een ​​revolutie teweeg te brengen in het onderzoeksveld van kwantumcomputers.