In een grote stap naar het maken van een kwantumcomputer met behulp van alledaagse materialen, een team onder leiding van onderzoekers van Princeton University heeft een belangrijk stuk siliciumhardware geconstrueerd dat in staat is om het kwantumgedrag tussen twee elektronen met extreem hoge precisie te regelen. De studie werd op 7 december gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschap .

Het team heeft een poort geconstrueerd die de interacties tussen de elektronen regelt op een manier waardoor ze kunnen fungeren als de kwantumbits informatie. of qubits, nodig voor kwantumcomputers. De demonstratie van deze bijna foutloze, twee-qubit-poort is een belangrijke vroege stap in het bouwen van een complexer kwantumcomputerapparaat van silicium, hetzelfde materiaal dat wordt gebruikt in conventionele computers en smartphones.

"We wisten dat we dit experiment moesten laten werken als op silicium gebaseerde technologie een toekomst zou hebben in termen van opschaling en het bouwen van een kwantumcomputer, " zei Jason Petta, een professor in de natuurkunde aan de Princeton University. "De creatie van deze high-fidelity twee-qubit-poort opent de deur naar experimenten op grotere schaal."

Op silicium gebaseerde apparaten zijn waarschijnlijk minder duur en gemakkelijker te produceren dan andere technologieën om een ​​kwantumcomputer te realiseren. Hoewel andere onderzoeksgroepen en bedrijven kwantumapparaten hebben aangekondigd die 50 of meer qubits bevatten, die systemen vereisen exotische materialen zoals supergeleiders of geladen atomen die op hun plaats worden gehouden door lasers.

Quantumcomputers kunnen problemen oplossen die met conventionele computers onbereikbaar zijn. De apparaten zijn mogelijk in staat om extreem grote getallen te factoriseren of de optimale oplossingen te vinden voor complexe problemen. Ze kunnen onderzoekers ook helpen de fysieke eigenschappen van extreem kleine deeltjes zoals atomen en moleculen te begrijpen, wat leidt tot vooruitgang op gebieden zoals materiaalwetenschap en het ontdekken van geneesmiddelen.

Voor het bouwen van een kwantumcomputer moeten onderzoekers qubits maken en deze high-fidelity aan elkaar koppelen. Op silicium gebaseerde kwantumapparaten gebruiken een kwantumeigenschap van elektronen genaamd "spin" om informatie te coderen. De spin kan naar boven of naar beneden wijzen op een manier die analoog is aan de noord- en zuidpool van een magneet. In tegenstelling tot, conventionele computers werken door de negatieve lading van het elektron te manipuleren.

Het bereiken van een hoge prestatie, op spin gebaseerd kwantumapparaat is gehinderd door de kwetsbaarheid van spintoestanden - ze kunnen gemakkelijk van boven naar beneden of omgekeerd worden omgedraaid, tenzij ze kunnen worden geïsoleerd in een zeer zuivere omgeving. Door de siliciumkwantumapparaten te bouwen in het Quantum Device Nanofabrication Laboratory van Princeton, de onderzoekers waren in staat om de spins coherent te houden - dat wil zeggen, in hun kwantumtoestanden - voor relatief lange tijdsperioden.

Om de poort met twee qubits te construeren, de onderzoekers legden kleine aluminiumdraadjes op een zeer geordend siliciumkristal. De draden leveren spanningen die twee enkele elektronen vangen, gescheiden door een energiebarrière, in een goed-achtige structuur genaamd een dubbele kwantumstip.

Door de energiebarrière tijdelijk te verlagen, de onderzoekers laten de elektronen kwantuminformatie delen, het creëren van een speciale kwantumtoestand genaamd verstrengeling. Deze gevangen en verstrengelde elektronen zijn nu klaar voor gebruik als qubits, die zijn als conventionele computerbits maar met superkrachten:terwijl een conventionele bit een nul of een 1 kan vertegenwoordigen elke qubit kan tegelijkertijd een nul en een 1 zijn het aantal mogelijke permutaties dat onmiddellijk kan worden vergeleken aanzienlijk vergroot.

"De uitdaging is dat het erg moeilijk is om kunstmatige structuren te bouwen die klein genoeg zijn om afzonderlijke elektronen te vangen en te controleren zonder hun lange opslagtijden te vernietigen, " zei David Zajac, een afgestudeerde student natuurkunde aan Princeton en eerste auteur van het onderzoek. "Dit is de eerste demonstratie van verstrengeling tussen twee elektronenspins in silicium, een materiaal dat bekend staat als een van de schoonste omgevingen voor elektronenspintoestanden."

De onderzoekers toonden aan dat ze de eerste qubit kunnen gebruiken om de tweede qubit aan te sturen, wat betekent dat de structuur functioneerde als een gecontroleerde NIET (CNOT) poort, dat is de kwantumversie van een veelgebruikte computercircuitcomponent. De onderzoekers controleren het gedrag van de eerste qubit door een magnetisch veld aan te leggen. De poort produceert een resultaat op basis van de toestand van de eerste qubit:als de eerste spin naar boven wijst, dan zal de spin van de tweede qubit omdraaien, maar als de eerste spin down is, de tweede zal niet omdraaien.

"De poort zegt in feite dat het alleen iets met het ene deeltje gaat doen als het andere deeltje in een bepaalde configuratie is, ' zei Petta. 'Wat er met het ene deeltje gebeurt, hangt af van het andere deeltje.'

De onderzoekers toonden aan dat ze de elektronenspins in hun kwantumtoestand kunnen houden met een getrouwheid van meer dan 99 procent en dat de poort betrouwbaar werkt om de spin van de tweede qubit ongeveer 75 procent van de tijd om te draaien. De technologie heeft het potentieel om op te schalen naar meer qubits met nog lagere foutenpercentages, volgens de onderzoekers.

"Dit werk valt op in een wereldwijde race om de CNOT-poort te demonstreren, een fundamentele bouwsteen voor kwantumberekening, in op silicium gebaseerde qubits, " zei HongWen Jiang, een professor in de natuurkunde en astronomie aan de Universiteit van Californië-Los Angeles. "Het foutenpercentage voor de twee-qubit-bewerking is ondubbelzinnig gebenchmarkt. Het is bijzonder indrukwekkend dat dit buitengewoon moeilijke experiment, wat een geavanceerde fabricage van apparaten en een voortreffelijke controle van kwantumtoestanden vereist, gebeurt in een universitair lab bestaande uit slechts enkele onderzoekers."