Een groep wetenschappers van het Niels Bohr Instituut (NBI), Universiteit van Kopenhagen, heeft ontdekt hoe spin-qubits gecontroleerde achterwaartse rotaties kunnen uitvoeren. Dit is nog nooit eerder vertoond - en het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven , waar het onderzoek zojuist is gepubliceerd, benadrukt de innovatieve ontdekking in de categorie "Editor's Suggestion".

"Ik denk dat je kunt zeggen dat we hebben ontdekt hoe we de qubits in zowel vooruit- als achteruitversnelling kunnen laten werken - onder bepaalde omstandigheden, " zegt Ph.D. Filip Malinowski, Center for Quantum Devices (QDev) aan het Niels Bohr Institute.

Malinowski en QDev-collega Frederico Martins – die nu verbonden is aan de University of New South Wales, Australië - leidde het 'omgekeerde project', waarbij ook wetenschappers van de Purdue University betrokken waren, VS. De rol van de Amerikaanse wetenschappers omvatte de productie van extreem zuivere halfgeleiderkristallen, die het NBI-team nodig had als basis om op voort te bouwen bij het samenstellen van de specifieke 'omgeving' die nodig is om qubits in omgekeerde richting te dwingen.

De NBI-ontdekking moet worden gezien in de context van kwantumcomputers, de nieuwe en krachtige supercomputers van de volgende generatie die wetenschappers over de hele wereld - QDev is geen uitzondering - nastreven via verschillende projecten te ontwikkelen.

Om een ​​kwantumcomputer te bouwen heb je qubits nodig – en qubits verschillen van binaire bits die de ruggengraat vormen van hedendaagse computers. Binaire bits kunnen de waarden 0 of 1 aannemen en functioneren daarom – in principe – als schakelaars:ze staan ​​ofwel 'aan, " of ze zijn 'uit'.

Zoals klassieke stukjes, qubits kunnen de waarden 0 en 1 aannemen. Echter:qubits kunnen ook in een toestand zijn die tegelijkertijd 0 en 1 voorstelt, een zogenaamde superpositie.

"We coderen qubits in de richting waarin de elektronenspin wijst - en verwerken kwantuminformatie door spins rond verschillende assen te roteren. Theoretisch, voorwaartse en achterwaartse rotaties leveren verschillende superpositietoestanden op, maar experimenteel waren nu alleen voorwaartse rotaties mogelijk, ", zegt Frederico Martins.

Snelheid en precisie

Het feit dat qubits zich in een superpositie kunnen bevinden, is wat een kwantumcomputer in staat zal stellen - als deze eenmaal is ontwikkeld - tegelijkertijd een werkelijk groot aantal verschillende berekeningen kan uitvoeren.

Om qubit-onderzoek uit te voeren, moet je bij zeer lage temperaturen werken - in de buurt van het absolute nulpunt (-273,15 C) - de reden daarvoor is dat deze omstandigheden de qubits beschermen tegen verschillende storingen die hun prestatieniveau kunnen beïnvloeden, bijv. lawaai.

"Onze experimenten werden uitgevoerd bij slechts 0,02 C boven het absolute nulpunt. We waren in staat om deze zeer lage temperatuur te creëren dankzij speciale apparatuur in het QDev-lab - een versie van een cryostaat, een zogenaamde verdunningskoelkast, " legt Filip Malinowski uit:

"En wanneer uiteindelijk een kwantumcomputer wordt ontwikkeld, het zal hoogstwaarschijnlijk ook een versie van een cryostaat bevatten."

De auto analogie

Wat zijn de mogelijke praktische implicaties van het feit dat je qubits nu in omgekeerde richting kunt dwingen - zoals de NBI-wetenschappers aantonen?

Ten eerste maakt het het mogelijk om snellere berekeningen uit te voeren van een bepaalde hoeveelheid data dan kan worden gedaan met qubits die zijn uitgerust met slechts één - vooruit - versnelling.

Maar het is ook mogelijk om precisie boven snelheid te verkiezen door de 'reverse qubits' in een -toekomstige- quantumcomputer in een gematigd tempo te laten werken. In dat geval is het voordeel berekeningen met een grotere nauwkeurigheid, vertelt Filip Malinowski:"En als gevolg daarvan zul je veel fouten kunnen vermijden die gecorrigeerd zouden moeten worden door extra berekeningen."

Om te begrijpen hoeveel gemakkelijker het ineens wordt om qubits te besturen als ze eenmaal zijn voorzien van een achteruitversnelling, een analogie met een auto komt goed van pas, zegt universitair hoofddocent Ferdinand Kuemmeth, hoofd van het QDev-team achter de ontdekking:

"Stel je voor dat je met een auto door een drukke straat rijdt - de straat waar je woont - en je wilt hem precies voor je deur parkeren. Dit kan een hele klus zijn, vooral als er veel auto's zijn – (lawaai, als we het over qubits hebben) - om je heen. En stel je nu eens voor dat je dit doet zonder achteruitversnelling:als je een beetje doorschiet, je hebt je kans gemist, en het is moeilijk om een ​​oplossing te bedenken. Hetzelfde geldt voor roterende qubits:als je een beetje doorschiet - wat vaak gebeurt vanwege de lawaaierige omgeving - was er geen manier om de qubit terug te draaien - tot nu toe!"

Een bouwproces

De omgekeerde functie in qubits is aangetoond in een experiment met een kwantum-'omgeving' die de NBI-wetenschappers bouwden bovenop een op maat gemaakt kristal - een sandwichachtige structuur geleverd door Purdue University, gemaakt van een materiaal met een buitengewoon uniforme verdeling van elektronen.

Aan de basis van de 'omgeving' ligt de kristalstructuur – die de NBI-wetenschappers bedekten met een polymeer.

De volgende stap was het 'tekenen' van een patroon van groeven in de polymeerlaag, met behulp van een elektronenbundel.

Daarna werd het – nu verzwakte – polymeer weggespoeld van het aangegeven patroon – de groeven openleggend, zoals sloten.

Ten slotte werden de groeven bovenop het kristal gevuld met een metaal om elektroden te vormen, waarvan de kleinste slechts 20 nanometer meet - en door verschillende spanningen op deze elektroden aan te brengen, is het mogelijk om elektronen af ​​te stoten of aan te trekken, uiteindelijk individuele elektronen op specifieke posities plaatsen.

De NBI-wetenschappers gebruikten zo'n chip om de zogenaamde uitwisselingsinteractie nauwkeurig te controleren - een fundamentele interactie tussen elektronen die kan worden gebruikt om qubits in omgekeerde richting te dwingen - en hoe dit wordt gedaan, wordt in de nieuwsgrafiek nader uitgelegd.

Centrum voor Quantum Apparaten, QDev – het lab waar het onderzoek plaatsvond. Foto:Ola Jakup Joensen

De beknopte uitleg draait om het feit dat wanneer twee elektronen draaien - een naar boven gericht, de andere naar beneden – worden in dezelfde besloten ruimte geplaatst, ze beginnen samen te draaien, zegt Filip Malinowski:

"In dit geval zijn deze elektronen qubits - en als we terugkeren naar de auto-analogie, ze zullen beginnen te draaien of vooruit te gaan. Tot nu toe was de veronderstelling dat dit inderdaad de enige richting was waarin ze mogelijk zouden kunnen bewegen - en dat is waar onze ontdekking binnenkomt."

De omgekeerde functie wordt werkelijkheid wanneer twee tegengesteld gerichte elektronenspins - qubits - samen met een heleboel andere elektronenparen in een besloten omgeving worden geplaatst.

Nu - nog steeds bij zeer lage temperaturen - wordt het plotseling mogelijk om qubits in omgekeerde richting te dwingen.

Galliumarsenide - het materiaal waarvan het in de VS geproduceerde kristal is gemaakt - speelt een prominente rol in het NBI-experiment, maar de techniek zal waarschijnlijk even goed werken met een aantal andere halfgeleiders, zegt Filip Malinowski:

"Vooral silicium, wat essentieel is voor de chips in onze huidige generatie processors, maar silicium kan ook worden gebruikt als bouwmateriaal voor kwantumcomputers."