Onderzoekers van MIT en elders hebben vastgelegd, Voor de eerste keer, de "temporele samenhang" van een grafeen-qubit - wat betekent hoe lang het een speciale toestand kan behouden waardoor het twee logische toestanden tegelijkertijd kan vertegenwoordigen. De demonstratie, die een nieuw soort op grafeen gebaseerde qubit gebruikte, vertegenwoordigt een cruciale stap voorwaarts voor praktische kwantumcomputers, zeggen de onderzoekers.

Supergeleidende kwantumbits (simpelweg, qubits) zijn kunstmatige atomen die verschillende methoden gebruiken om stukjes kwantuminformatie te produceren, het fundamentele onderdeel van kwantumcomputers. Net als bij traditionele binaire circuits in computers, qubits kunnen een van de twee toestanden behouden die overeenkomen met de klassieke binaire bits, een 0 of 1. Maar deze qubits kunnen ook een superpositie zijn van beide toestanden tegelijk, waarmee kwantumcomputers complexe problemen kunnen oplossen die voor traditionele computers praktisch onmogelijk zijn.

De hoeveelheid tijd dat deze qubits in deze superpositietoestand blijven, wordt hun 'coherentietijd' genoemd. Hoe langer de coherentietijd, hoe groter het vermogen van de qubit om complexe problemen te berekenen.

Onlangs, onderzoekers hebben op grafeen gebaseerde materialen opgenomen in supergeleidende kwantumcomputers, die sneller beloven, efficiënter computergebruik, onder andere voordelen. Tot nu, echter, er is geen geregistreerde samenhang voor deze geavanceerde qubits, dus er is geen idee of ze haalbaar zijn voor praktische kwantumcomputers.

In een artikel dat vandaag is gepubliceerd in Natuur Nanotechnologie , de onderzoekers laten zien, Voor de eerste keer, een coherente qubit gemaakt van grafeen en exotische materialen. Deze materialen stellen de qubit in staat om van toestand te veranderen door middel van spanning, net als transistors in de traditionele computerchips van vandaag - en in tegenstelling tot de meeste andere soorten supergeleidende qubits. Bovendien, de onderzoekers hebben die samenhang een cijfer gegeven, klokt het op 55 nanoseconden, voordat de qubit terugkeert naar zijn grondtoestand.

Het werk combineerde de expertise van co-auteurs William D. Oliver, een natuurkundeprofessor van de praktijk en Lincoln Laboratory Fellow wiens werk zich richt op kwantumcomputersystemen, en Pablo Jarillo-Herrero, de Cecil en Ida Green hoogleraar natuurkunde aan het MIT die onderzoek doet naar innovaties in grafeen.

"Onze motivatie is om de unieke eigenschappen van grafeen te gebruiken om de prestaties van supergeleidende qubits te verbeteren, " zegt eerste auteur Joel I-Jan Wang, een postdoc in de groep van Oliver in het Research Laboratory of Electronics (RLE) aan het MIT. "In dit werk, laten we voor het eerst zien dat een supergeleidende qubit gemaakt van grafeen tijdelijk kwantumcoherent is, een essentiële vereiste voor het bouwen van meer geavanceerde kwantumcircuits. Ons apparaat is het eerste apparaat dat een meetbare coherentietijd laat zien - een primaire metriek van een qubit - die lang genoeg is voor mensen om te controleren."

Er zijn 14 andere co-auteurs, waaronder Daniel Rodan-Legrain, een afgestudeerde student in de groep van Jarillo-Herrero die in gelijke mate heeft bijgedragen aan het werk met Wang; MIT-onderzoekers van RLE, het departement Natuurkunde, de afdeling Elektrotechniek en Informatica, en Lincoln-laboratorium; en onderzoekers van het Laboratory of Irradiated Solids aan de École Polytechnique en het Advanced Materials Laboratory van het National Institute for Materials Science.

Een smetteloze grafeen sandwich

Supergeleidende qubits zijn gebaseerd op een structuur die bekend staat als een "Josephson-junctie, " waarbij een isolator (meestal een oxide) is ingeklemd tussen twee supergeleidende materialen (meestal aluminium). In traditionele afstembare qubit-ontwerpen, een stroomlus creëert een klein magnetisch veld dat ervoor zorgt dat elektronen heen en weer springen tussen de supergeleidende materialen, waardoor de qubit van status verandert.

Maar deze stromende stroom verbruikt veel energie en veroorzaakt andere problemen. Onlangs, een paar onderzoeksgroepen hebben de isolator vervangen door grafeen, een atoomdikke laag koolstof die niet duur is om massaal te produceren en unieke eigenschappen heeft waardoor snellere, efficiëntere berekening.

Om hun qubit te fabriceren, de onderzoekers wendden zich tot een klasse van materialen, van der Waals-materialen genoemd - atomaire dunne materialen die als lego's op elkaar kunnen worden gestapeld, met weinig tot geen weerstand of schade. Deze materialen kunnen op specifieke manieren worden gestapeld om verschillende elektronische systemen te creëren. Ondanks hun bijna onberispelijke oppervlaktekwaliteit, slechts een paar onderzoeksgroepen hebben ooit van der Waals-materialen toegepast op kwantumcircuits, en van geen enkele is eerder aangetoond dat ze temporele coherentie vertonen.

Voor hun Josephson-knooppunt, de onderzoekers plaatsten een vel grafeen tussen de twee lagen van een van der Waals-isolator genaamd hexagonaal boornitride (hBN). belangrijk, grafeen neemt de supergeleiding over van de supergeleidende materialen die het aanraakt. De geselecteerde van der Waals-materialen kunnen worden gemaakt om elektronen rond te leiden met behulp van spanning, in plaats van het traditionele op stroom gebaseerde magnetische veld. Daarom, dat kan het grafeen ook - en de hele qubit ook.

Wanneer er spanning op de qubit wordt gezet, elektronen kaatsen heen en weer tussen twee supergeleidende draden verbonden door grafeen, het veranderen van de qubit van grond (0) naar aangeslagen toestand of superpositie (1). De onderste hBN-laag dient als substraat voor het grafeen. De bovenste hBN-laag kapselt het grafeen in, beschermen tegen elke besmetting. Omdat de materialen zo ongerept zijn, de reizende elektronen hebben nooit interactie met defecten. Dit vertegenwoordigt het ideale "ballistische transport" voor qubits, waar een meerderheid van elektronen van de ene supergeleidende leiding naar de andere gaat zonder verstrooiing met onzuiverheden, snel maken, nauwkeurige staatswisseling.

Hoe spanning helpt

Het werk kan helpen het qubit "schaalprobleem, ", zegt Wang. Momenteel slechts ongeveer 1, Er passen 000 qubits op een enkele chip. Het hebben van qubits die door spanning worden bestuurd, is vooral belangrijk omdat miljoenen qubits op een enkele chip worden gepropt. "Zonder spanningsregeling, je hebt ook duizenden of miljoenen stroomlussen nodig, en dat neemt veel ruimte in beslag en leidt tot energieverspilling, " hij zegt.

Aanvullend, spanningsregeling betekent meer efficiëntie en een meer gelokaliseerde, nauwkeurige targeting van individuele qubits op een chip, zonder "overspraak". Dat gebeurt wanneer een klein beetje van het magnetische veld dat door de stroom wordt gecreëerd, interfereert met een qubit waarop het niet gericht is, rekenproblemen veroorzaken.

Voor nu, de qubit van de onderzoekers heeft een korte levensduur. Als referentie, conventionele supergeleidende qubits die veelbelovend zijn voor praktische toepassing hebben coherentietijden van enkele tientallen microseconden gedocumenteerd, een paar honderd keer groter dan de qubit van de onderzoekers.

Maar de onderzoekers pakken al verschillende problemen aan die deze korte levensduur veroorzaken, waarvan de meeste structurele aanpassingen vereisen. Ze gebruiken ook hun nieuwe coherentie-sonderingsmethode om verder te onderzoeken hoe elektronen ballistisch rond de qubits bewegen, met als doel de samenhang van qubits in het algemeen uit te breiden.