Quantumbits zijn nu gemakkelijker te manipuleren voor apparaten in kwantumcomputers, dankzij verbeterde spin-baan interactie in silicium.

Een silicium kwantumcomputerchip heeft het potentieel om miljoenen kwantumbits te bevatten, of qubits, voor een veel snellere informatieverwerking dan met de bits van de huidige computers. Dit vertaalt zich in snelle databasezoekopdrachten, betere cyberbeveiliging en zeer efficiënte simulatie van materialen en chemische processen.

Nutsvoorzieningen, onderzoeksgroepen van Purdue University, de Technische Universiteit Delft, Nederland en de Universiteit van Wisconsin-Madison hebben ontdekt dat silicium unieke spin-baaninteracties heeft die de manipulatie van qubits met behulp van elektrische velden mogelijk maken, zonder de noodzaak van kunstmatige middelen.

"Qubits gecodeerd in de spins van elektronen hebben een bijzonder lange levensduur in silicium, maar ze zijn moeilijk te controleren door elektrische velden. Spin-orbit-interactie is een belangrijke knop voor het ontwerp van qubits waarvan werd gedacht dat ze klein waren in dit materiaal, traditioneel, " zei Rajib Rahman, onderzoeksassistent-professor aan Purdue's School of Electrical and Computer Engineering.

De kracht van spin-baan interactie, wat de interactie is van de spin van een elektron met zijn beweging, is een belangrijke factor voor de kwaliteit van een qubit. De onderzoekers vonden meer prominente spin-baaninteractie dan normaal aan het oppervlak van silicium, waar qubits zich bevinden in de vorm van zogenaamde kwantumdots - elektronen die in drie dimensies zijn opgesloten. Het laboratorium van Rahman identificeerde dat deze spin-baaninteractie anisotroop van aard is - wat betekent dat het afhankelijk is van de hoek van een extern magnetisch veld - en sterk wordt beïnvloed door atomaire details van het oppervlak.

"Deze anisotropie kan worden gebruikt om de kracht van de spin-baaninteractie te verbeteren of te minimaliseren, " zei Rifat Ferdous, hoofdauteur van dit werk en een Purdue afgestudeerde onderzoeksassistent in elektrische en computertechniek. Spin-baan interactie beïnvloedt dan qubits.

"Als er een sterke spin-baan interactie is, de levensduur van de qubit is korter, maar je kunt hem gemakkelijker manipuleren. Het tegenovergestelde gebeurt met een zwakke spin-baan interactie:de levensduur van de qubit is langer, maar manipulatie is moeilijker, ' zei Rahmaan.

De onderzoekers publiceerden hun bevindingen op 5 juni in Nature Partner Journals-Quantum Information. Het Wisconsin-Madison-team heeft het siliciumapparaat gefabriceerd, het Delftse team voerde de experimenten uit en het Purdue-team leidde het theoretische onderzoek van de experimentele waarnemingen. Dit werk wordt ondersteund door het Army Research Office, Amerikaanse ministerie van Energie, de National Science Foundation en de European Research Council.

Aankomend werk in het laboratorium van Rahman zal gericht zijn op het profiteren van de anisotrope aard van spin-baaninteracties om de samenhang en controle van qubits verder te verbeteren, en, daarom, het opschalen van kwantumcomputerchips.