Tijdens hun onderzoek voor een nieuw artikel over kwantumcomputers, HongWen Jiang, een UCLA hoogleraar natuurkunde, en Joshua Schoenfield, een afgestudeerde student in zijn lab, stuitten op een terugkerend probleem:ze waren zo enthousiast over de vooruitgang die ze boekten dat de twee wetenschappers elkaar herhaaldelijk van de externe verbinding afschakelden toen ze vanuit huis inlogden op hun UCLA-desktop - die slechts één gebruiker tegelijk toestaat.

De reden voor hun enthousiasme:Jiang en zijn team creëerden een manier om de energieverschillen van elektronvalleitoestanden in siliciumkwantumstippen te meten en te controleren, die een belangrijk onderdeel vormen van onderzoek naar kwantumcomputers. De techniek zou quantum computing een stap dichter bij de realiteit kunnen brengen.

"Het is zo spannend, " zei Jiang, een lid van het California NanoSystems Institute. "We wilden niet wachten tot de volgende dag om de uitkomst te weten te komen."

Met kwantumcomputing kan complexere informatie worden gecodeerd op veel kleinere computerchips, en het belooft sneller, veiligere probleemoplossing en communicatie dan de huidige computers mogelijk maken.

Bij standaardcomputers de fundamentele componenten zijn schakelaars die bits worden genoemd, die 0s en 1s gebruiken om aan te geven dat ze uit of aan zijn. De bouwstenen van kwantumcomputers, anderzijds, zijn kwantumbits, of qubits.

De doorbraak van de UCLA-onderzoekers was het meten en controleren van een specifieke toestand van een siliciumkwantumpunt, bekend als een dalstaat, een essentiële eigenschap van qubits. Het onderzoek is gepubliceerd in Natuurcommunicatie .

"Een individuele qubit kan bestaan ​​in een complex golfachtig mengsel van de toestand 0 en de toestand 1 tegelijkertijd, " zei Schoenfield, de eerste auteur van de krant. "Om problemen op te lossen, qubits moeten met elkaar interfereren als rimpelingen in een vijver. Dus het beheersen van elk aspect van hun golfachtige aard is essentieel."

Silicium quantum dots zijn klein, elektrisch afgesloten gebieden van silicium, slechts tientallen nanometers breed, die elektronen kunnen vangen. Ze worden bestudeerd door het laboratorium van Jiang - en door onderzoekers over de hele wereld - voor hun mogelijke gebruik in kwantumcomputers, omdat ze wetenschappers in staat stellen de spin en lading van elektronen te manipuleren.

Naast de spin en lading van elektronen, een van hun belangrijkste eigenschappen is hun "valleistaat, " die specificeert waar een elektron zich zal vestigen in het niet-platte energielandschap van de kristallijne structuur van silicium. De valleitoestand vertegenwoordigt een locatie in het momentum van het elektron, in tegenstelling tot een werkelijke fysieke locatie.

Wetenschappers hebben zich pas recentelijk gerealiseerd dat het beheersen van valleitoestanden van cruciaal belang is voor het coderen en analyseren van op silicium gebaseerde qubits, omdat zelfs de kleinste onvolkomenheden in een siliciumkristal vallei-energieën op onvoorspelbare manieren kunnen veranderen.

"Stel je voor dat je op de top van een berg staat en naar links en rechts naar beneden kijkt, opmerkend dat de valleien aan weerszijden hetzelfde lijken, maar wetende dat de ene vallei slechts 1 centimeter dieper was dan de andere, " zei Blake Freeman, een UCLA-afgestudeerde student en co-auteur van de studie. "In de kwantumfysica, zelfs dat kleine verschil is uiterst belangrijk voor ons vermogen om de spin- en ladingstoestanden van elektronen te controleren."

Bij normale temperaturen, elektronen stuiteren rond, waardoor het moeilijk voor hen is om te rusten op het laagste energiepunt in de vallei. Dus om het kleine energieverschil tussen twee dalstaten te meten, de UCLA-onderzoekers plaatsten siliciumkwantumdots in een koelkamer bij een temperatuur nabij het absolute nulpunt, waardoor de elektronen tot rust konden komen. Door er snelle elektrische spanningspulsen doorheen te schieten, de wetenschappers waren in staat om enkele elektronen in en uit de valleien te verplaatsen. Het kleine verschil in energie tussen de valleien werd bepaald door de snelheid van het snelle schakelen van het elektron tussen valleitoestanden te observeren.

Na het manipuleren van de elektronen, de onderzoekers lieten een nanodraadsensor heel dicht bij de elektronen lopen. Door de weerstand van de draad te meten, konden ze de afstand tussen een elektron en de draad meten, wat hen op hun beurt in staat stelde te bepalen in welke vallei het elektron zich bevond.

De techniek stelde de wetenschappers ook in staat, Voor de eerste keer, om het extreem kleine energieverschil tussen de twee valleien te meten - wat onmogelijk was geweest met een andere bestaande methode.

In de toekomst, de onderzoekers hopen meer geavanceerde spanningspulsen en apparaatontwerpen te gebruiken om volledige controle te krijgen over meerdere op elkaar gebaseerde qubits op valleibasis.

"De droom is om een ​​reeks van honderden of duizenden qubits te hebben die allemaal samenwerken om een ​​moeilijk probleem op te lossen. " zei Schoenfield. "Dit werk is een belangrijke stap in de richting van het realiseren van die droom."