Een op silicium gebaseerd kwantumcomputerapparaat zou dichterbij dan ooit kunnen zijn dankzij een nieuw experimenteel apparaat dat het potentieel aantoont om licht als boodschapper te gebruiken om kwantumbits informatie, ook wel qubits genoemd, te verbinden die niet direct naast elkaar liggen. De prestatie is een stap in de richting van het maken van kwantumcomputerapparatuur van silicium, hetzelfde materiaal dat wordt gebruikt in de smartphones en computers van vandaag.

Het onderzoek, gepubliceerd in het tijdschrift Natuur , werd geleid door onderzoekers van Princeton University in samenwerking met collega's van de Universiteit van Konstanz in Duitsland en het Joint Quantum Institute, dat is een samenwerkingsverband van de Universiteit van Maryland en het National Institute of Standards and Technology.

Het team creëerde qubits van enkele elektronen die vastzaten in siliciumkamers die bekend staan ​​als dubbele kwantumstippen. Door een magnetisch veld aan te leggen, ze lieten zien dat ze kwantuminformatie konden overbrengen, gecodeerd in de elektroneneigenschap die bekend staat als spin, tot een deeltje licht, of foton, het openen van de mogelijkheid om de kwantuminformatie te verzenden.

"Dit is een doorbraakjaar voor silicium-spinqubits, " zei Jason Petta, hoogleraar natuurkunde aan Princeton. "Dit werk breidt onze inspanningen uit in een geheel nieuwe richting, omdat het je uit het leven in een tweedimensionaal landschap haalt, waar je alleen naaste-buren koppeling kunt doen, en in een wereld van all-to-all connectiviteit, " zei hij. "Dat zorgt voor flexibiliteit in hoe we onze apparaten maken."

Quantumapparaten bieden rekenmogelijkheden die met de huidige computers niet mogelijk zijn, zoals het ontbinden van grote getallen en het simuleren van chemische reacties. In tegenstelling tot conventionele computers, de apparaten werken volgens de kwantummechanische wetten die zeer kleine structuren beheersen, zoals enkele atomen en subatomaire deeltjes. Grote technologiebedrijven bouwen al kwantumcomputers op basis van supergeleidende qubits en andere benaderingen.

"Dit resultaat biedt een pad naar opschaling naar complexere systemen volgens het recept van de halfgeleiderindustrie, " zei Guido Burkard, hoogleraar natuurkunde aan de Universiteit van Konstanz, die de theoretische aspecten begeleidde in samenwerking met Monica Benito, een postdoctoraal onderzoeker. "Dat is de visie, en dit is een zeer belangrijke stap."

Jacob Taylor, een lid van het team en een fellow bij het Joint Quantum Institute, vergeleek het licht met een draad die spin-qubits kan verbinden. "Als je een kwantumcomputer wilt maken met deze gevangen elektronen, hoe stuur je informatie rond op de chip? Je hebt het kwantumcomputer-equivalent van een draad nodig."

Silicium-spinqubits zijn veerkrachtiger dan concurrerende qubit-technologieën voor externe verstoringen zoals hitte en trillingen, die inherent fragiele kwantumtoestanden verstoren. De simpele handeling van het uitlezen van de resultaten van een kwantumberekening kan de kwantumtoestand vernietigen, een fenomeen dat bekend staat als 'kwantumvernietiging'.

De onderzoekers theoretiseren dat de huidige aanpak dit probleem kan vermijden omdat het licht gebruikt om de toestand van het kwantumsysteem te onderzoeken. Licht wordt al gebruikt als boodschapper om kabel- en internetsignalen via glasvezelkabels in huis te brengen, en het wordt ook gebruikt om supergeleidende qubit-systemen aan te sluiten, maar dit is een van de eerste toepassingen in silicium-spinqubits.

In deze qubits informatie wordt weergegeven door de spin van het elektron, die naar boven of naar beneden kan wijzen. Bijvoorbeeld, een naar boven wijzende spin kan een 0 vertegenwoordigen en een naar beneden wijzende spin kan een 1 vertegenwoordigen. Conventionele computers, in tegenstelling tot, gebruik de lading van het elektron om informatie te coderen.

Het verbinden van op silicium gebaseerde qubits zodat ze met elkaar kunnen praten zonder hun informatie te vernietigen, was een uitdaging voor het veld. Hoewel het door Princeton geleide team met succes twee naburige elektronenspins heeft gekoppeld, gescheiden door slechts 100 nanometer (100 miljardste van een meter), zoals gepubliceerd in Science in december 2017, koppeling spin aan licht, die spin-spinkoppeling over lange afstand mogelijk zou maken, is tot nu toe een uitdaging gebleven.

In de huidige studie, het team loste het probleem van langeafstandscommunicatie op door de informatie van de qubit te koppelen, dat wil zeggen:of de spin nu naar boven of naar beneden wijst - naar een lichtdeeltje, of foton, die boven de qubit in de kamer zit. Door de golfachtige aard van het foton kan het als een golvende wolk boven de qubit oscilleren.

Afgestudeerde student Xiao Mi en collega's ontdekten hoe ze de informatie over de richting van de spin aan het foton konden koppelen, zodat het licht een boodschap kan opvangen, zoals "spinpunten omhoog, " van de qubit. "De sterke koppeling van een enkele spin aan een enkel foton is een buitengewoon moeilijke taak die lijkt op een perfect gechoreografeerde dans, " zei Mi. "De interactie tussen de deelnemers - spin, lading en foton—moet nauwkeurig worden ontworpen en beschermd tegen omgevingslawaai, wat tot nu toe niet mogelijk was." Het team van Princeton omvatte postdoctoraal fellow Stefan Putz en afgestudeerde student David Zajac.

De vooruitgang werd mogelijk gemaakt door gebruik te maken van de elektromagnetische golfeigenschappen van licht. Licht bestaat uit oscillerende elektrische en magnetische velden, en de onderzoekers slaagden erin het elektrische veld van het licht te koppelen aan de spintoestand van het elektron.

De onderzoekers deden dit door voort te bouwen op de bevindingen van het team die in december 2016 in het tijdschrift Science werden gepubliceerd en die de koppeling tussen een enkele elektronlading en een enkel lichtdeeltje aantoonden.

Om de qubit over te halen zijn spin-toestand naar het foton te sturen, de onderzoekers plaatsen de elektronenspin in een grote magnetische veldgradiënt, zodat de elektronenspin een andere oriëntatie heeft, afhankelijk van welke kant van de kwantumstip het inneemt. De magnetische veldgradiënt, gecombineerd met de laadkoppeling die de groep in 2016 demonstreerde, koppelt de draairichting van de qubit aan het elektrische veld van het foton.

Ideaal, het foton zal het bericht vervolgens afleveren aan een andere qubit die zich in de kamer bevindt. Een andere mogelijkheid is dat de boodschap van het foton via draden kan worden overgebracht naar een apparaat dat de boodschap voorleest. De onderzoekers werken aan deze vervolgstappen in het proces.

Er zijn nog verschillende stappen nodig voordat een op silicium gebaseerde kwantumcomputer wordt gemaakt, zei Petta. Alledaagse computers verwerken miljarden bits, en hoewel qubits rekenkundig krachtiger zijn, de meeste experts zijn het erover eens dat 50 of meer qubits nodig zijn om quantum suprematie te bereiken, waar kwantumcomputers hun klassieke tegenhangers zouden gaan overtreffen.

Daniël Verlies, een professor in de natuurkunde aan de Universiteit van Basel in Zwitserland die bekend is met het werk maar niet direct betrokken is, zei:"Het werk van professor Petta en medewerkers is een van de meest opwindende doorbraken op het gebied van spin-qubits in de afgelopen jaren. Ik volg Jasons werk al vele jaren en ik ben diep onder de indruk van de normen die hij heeft gesteld voor de veld, en nogmaals zo met dit nieuwste experiment om in te verschijnen Natuur . Het is een grote mijlpaal in de zoektocht naar het bouwen van een echt krachtige kwantumcomputer, omdat het een weg opent voor het proppen van honderden miljoenen qubits op een vierkante-inch chip. Dit zijn zeer opwindende ontwikkelingen voor het veld - en daarbuiten."