Mijlpaal op weg naar de kwantumcomputer:wetenschappers van de Universiteit van Konstanz, Princeton Universiteit, en de Universiteit van Maryland hebben een stabiele kwantumpoort ontwikkeld voor twee-quantumbitsystemen gemaakt van silicium. De kwantumpoort is in staat om alle noodzakelijke basishandelingen van de kwantumcomputer uit te voeren. De elektronenspin van individuele elektronen in silicium wordt gebruikt als basisopslageenheid ("quantumbits"). De onderzoeksresultaten werden voorafgaand aan het printen gepubliceerd in Wetenschap op 7 december 2017.

Het zal nog een flink aantal jaren duren tot de productie van commerciële kwantumcomputers. Kwantumcomputers zullen efficiënter zijn en problemen kunnen oplossen die voor de huidige computers onmogelijk zijn. Echter, de kwantumcomputer reageert veel gevoeliger op externe storingen dan een conventionele machine. Bijgevolg, een primair doel is om stabiele "kwantumpoorten" te creëren - de basis "bouwsteen" van de kwantumcomputer. Wetenschappers van de Universiteit van Konstanz, Princeton University en de University of Maryland zijn er nu in geslaagd stabiele kwantumpoorten te creëren voor twee-quantumbitsystemen. Hun kwantumpoort gebruikt individuele elektronen in silicium om de kwantumbits op te slaan, en ze kunnen de interactie van twee kwantumbits nauwkeurig controleren en uitlezen. Op deze manier, het experiment omvat alle noodzakelijke basishandelingen van de kwantumcomputer.

Van elektron naar kwantumbit

Net zoals een klassieke digitale computer bits met de waarde nul of één gebruikt als basiseenheden voor alle rekenprocessen, een kwantumcomputer, gebruikt kwantumbits. Het verschil is dat de kwantumbit niet beperkt is tot twee toestanden (nul en één), maar kan in meerdere staten tegelijk bestaan, en is daarom veel complexer in de uitvoering dan een eenvoudig digitaal systeem. Onderzoekers hebben verschillende ideeën bedacht om een ​​kwantumbit technisch te realiseren, bijvoorbeeld, met behulp van ionen of supergeleidende systemen. De onderzoekers uit Konstanz, Princeton en Maryland, echter, gebruik de elektronenspin, het intrinsieke impulsmoment van een enkel elektron, als basis van kwantumbits. De draairichting van het elektron komt overeen met de nul- en één-waarden van het digitale bit, maar in zijn exacte kwantumtoestand, het elektron kan meer informatie bevatten dan alleen een simpele nul of een.

Een eerste prestatie van de onderzoekers was dan ook om een ​​enkel elektron te extraheren uit de miljarden atomen van een siliciumstuk. "Dat was een buitengewone prestatie van onze collega's uit Princeton, " zegt natuurkundige professor Guido Burkard, die het theoretisch onderzoek in Konstanz coördineerde. De onderzoekers gebruikten een combinatie van elektromagnetische aantrekking en afstoting om een ​​enkel elektron van de elektronenbundel te scheiden. De gescheiden elektronen worden dan precies uitgelijnd en elk is ingebed in een soort "hol, " waar ze in een zwevende staat worden gehouden.

De volgende uitdaging was om een ​​systeem te ontwikkelen om het impulsmoment van individuele elektronen te regelen. Konstanz-natuurkundigen Guido Burkard en Maximilian Russ hebben de volgende methode ontwikkeld:op elk elektron wordt een nano-elektrode aangebracht. Met behulp van een magnetische veldgradiënt, de natuurkundigen kunnen een positieafhankelijk magnetisch veld creëren waarmee ze toegang krijgen tot de individuele elektronen, waardoor de onderzoekers het impulsmoment van de elektronen kunnen beheersen. Op deze manier, ze hebben stabiele één-quantum-bit-systemen gecreëerd om informatie op te slaan en uit te lezen in de vorm van elektronenspins.

De stap naar het twee-kwantumbitsysteem

Een kwantumbit, echter, is niet genoeg om het basisschakelsysteem van een kwantumcomputer te genereren. Om dit te doen, er zijn twee kwantumbits nodig. De cruciale stap die de Konstanz-onderzoekers namen in de richting van het twee-kwantumbitsysteem was het koppelen van de toestanden van twee elektronen. Zo'n koppeling maakt het mogelijk om basale schakelsystemen te bouwen waarmee alle basishandelingen van de kwantumcomputer kunnen worden uitgevoerd. Bijvoorbeeld, het systeem kan zo worden geprogrammeerd dat een elektron alleen roteert wanneer het aangrenzende elektron een spin in een vooraf bepaalde richting heeft.

Dit betekende dat de onderzoekers uit Konstanz een stabiel systeem moesten creëren om de spins van twee individuele elektronen met elkaar te verbinden. "Dat was het belangrijkste en moeilijkste deel van ons werk, " zegt Guido Burkard, die de methode samen met teamlid Maximilian Russ ontwierp en plande. Ze ontwikkelden een schakelsysteem dat het impulsmoment van twee elektronen in onderlinge afhankelijkheid coördineert. Tussen de twee "holtes" waarin de siliciumelektronen zweven, wordt een extra nano-elektrode geplaatst. Deze elektrode regelt de koppeling tussen de twee elektronenspins. Met deze methode, de natuurkundigen hebben een stabiele en functionele basisverwerkingseenheid van een kwantumcomputer gerealiseerd. De betrouwbaarheid van enkele kwantumbits is hoger dan 99 procent, en ongeveer 80 procent voor twee op elkaar inwerkende kwantumbits - aanzienlijk stabieler en nauwkeuriger dan bij eerdere pogingen.

Silicium - een "stil materiaal"

Het basismateriaal van de kwantumpoort is silicium. "Een magnetisch zeer stil materiaal met slechts een laag aantal eigen kernspins, "Guido Burkard zegt, de voordelen van silicium op een rijtje. Het is belangrijk dat de atoomkernen van het gekozen materiaal niet te veel spins hebben, dat is, intrinsiek impulsmoment, die de kwantumbits zouden kunnen verstoren. Silicium, met ongeveer vijf procent, heeft een extreem lage spinactiviteit van zijn atoomkernen en is daarom een ​​bijzonder geschikt materiaal. Nog een voordeel:Silicium is het standaardmateriaal van de halfgeleidertechnologie en daarom goed onderzocht. De wetenschappers kunnen dus profiteren van jarenlange ervaring met het materiaal.