Om qubits voor kwantumcomputers minder gevoelig te maken voor ruis, de spin van een elektron of een ander deeltje wordt bij voorkeur gebruikt. Onderzoekers van ETH Zürich hebben nu een methode ontwikkeld die het mogelijk maakt om zo'n spinqubit sterk te koppelen aan microgolffotonen.

Kwantumcomputers gebruiken kwantumbits of "qubits" om hun berekeningen te doen - kwantumtoestanden, dat is, van atomen of elektronen die tegelijkertijd de logische waarden "0" en "1" kunnen aannemen. Om veel van dergelijke qubits te verbinden tot een krachtige kwantumcomputer, men moet ze aan elkaar koppelen over afstanden van millimeters of zelfs enkele meters. Een manier om dit te bereiken is door gebruik te maken van de ladingsverplaatsing veroorzaakt door een elektromagnetische golf, dat is het werkingsprincipe van een antenne. Zo'n koppeling, echter, stelt de qubit ook bloot aan storingen door ongewenste elektrische velden, wat de kwaliteit van de logische qubit-bewerkingen ernstig beperkt.

Een team van wetenschappers die in verschillende onderzoeksgroepen aan de ETH Zürich werken, bijgestaan ​​door theoretisch fysici aan de Sherbrooke University in Canada, hebben nu aangetoond hoe dit probleem kan worden vermeden. Om dit te doen, ze vonden een manier om een ​​microgolffoton te koppelen aan een spin-qubit in een kwantumdot.

Qubits met lading of spin

In kwantumstippen, elektronen worden eerst gevangen in halfgeleiderstructuren van slechts enkele nanometers die worden afgekoeld tot minder dan één graad boven het absolute nulpunt van de temperatuurschaal. De logische waarden 0 en 1 kunnen nu op twee verschillende manieren worden gerealiseerd. Men definieert ofwel een qubit in termen van de positie van het elektron aan de rechter- of linkerkant van een dubbele kwantumstip, of anders door de spin van het elektron, die naar boven of naar beneden kan wijzen.

Het eerste geval wordt een ladingsqubit genoemd, die sterk koppelt aan elektromagnetische golven door de verplaatsing van elektrische lading. Een spin-qubit, anderzijds, kan worden gevisualiseerd als een kleine kompasnaald die naar boven of naar beneden wijst. Net als een kompasnaald, een spin is ook magnetisch en, daarom, koppelt niet aan elektrische maar eerder aan magnetische velden. De koppeling van een spin-qubit aan het magnetische deel van elektromagnetische golven, echter, is veel zwakker dan die van een ladingsqubit naar het elektrische deel.

Drie spins voor sterkere koppeling

Dit betekent dat, aan de ene kant, een spinqubit is minder gevoelig voor ruis en behoudt zijn coherentie (waarop de werking van een kwantumcomputer is gebaseerd) voor een langere periode. Anderzijds, het is aanzienlijk moeilijker om spinqubits over grote afstanden met fotonen aan elkaar te koppelen. De onderzoeksgroep van ETH-hoogleraar Klaus Ensslin gebruikt een truc om een ​​dergelijke koppeling toch mogelijk te maken, zoals de post-doc Jonne Koski uitlegt:"Door de qubit te realiseren met niet slechts een enkele draai, maar liever drie van hen, we kunnen de voordelen van een spin-qubit combineren met die van een ladings-qubit."

In praktijk, dit wordt gedaan door drie kwantumdots op een halfgeleiderchip te produceren die dicht bij elkaar liggen en kunnen worden bestuurd door spanningen die via minuscule draadjes worden aangelegd. In elk van de kwantumstippen, elektronen met spins die naar boven of naar beneden wijzen, kunnen worden opgesloten. Aanvullend, een van de draden verbindt het spintrio met een microgolfresonator. De spanningen op de kwantumdots zijn nu aangepast om een ​​enkel elektron in elke kwantumdot te hebben, waarbij de spins van twee van de elektronen in dezelfde richting wijzen en de derde spin in de tegenovergestelde richting wijst.

Ladingsverplaatsing door tunneling

Volgens de regels van de kwantummechanica, de elektronen kunnen ook met een zekere waarschijnlijkheid heen en weer tunnelen tussen de quantum dots. Dit betekent dat twee van de drie elektronen zich tijdelijk in dezelfde kwantumstip kunnen bevinden, met één kwantumstip die leeg blijft. In dit sterrenbeeld is de elektrische lading nu ongelijk verdeeld. Deze ladingsverplaatsing, beurtelings, geeft aanleiding tot een elektrische dipool die sterk kan koppelen met het elektrische veld van een microgolffoton.

De wetenschappers van ETH konden de sterke koppeling duidelijk detecteren door de resonantiefrequentie van de microgolfresonator te meten. Ze zagen hoe de resonantie van de resonator in tweeën splitste vanwege de koppeling met het spintrio. Uit die gegevens konden ze afleiden dat de coherentie van de spin-qubit meer dan 10 nanoseconden intact bleef.

Draai trio's voor een kwantumbus

De onderzoekers hebben er alle vertrouwen in dat met deze technologie binnenkort een communicatiekanaal voor kwantuminformatie tussen twee spinqubits kan worden gerealiseerd. "Hiervoor moeten we spintrio's aan beide uiteinden van de microgolfresonator plaatsen en laten zien dat de qubits vervolgens aan elkaar worden gekoppeld via een microgolffoton", zegt Andreas Landig, eerste auteur van het artikel en Ph.D. student in de groep van Ensslin. Dit zou een belangrijke stap zijn in de richting van een netwerk van ruimtelijk verdeelde spinqubits. De onderzoekers benadrukken ook dat hun methode zeer veelzijdig is en zonder meer kan worden toegepast op andere materialen zoals grafeen.