Spin-gebaseerde kwantumcomputers hebben het potentieel om moeilijke wiskundige problemen aan te pakken die niet kunnen worden opgelost met gewone computers, maar er blijven veel problemen bestaan ​​bij het schaalbaar maken van deze machines. Nutsvoorzieningen, een internationale groep onderzoekers onder leiding van het RIKEN Center for Emergent Matter Science heeft een nieuwe architectuur voor quantum computing ontwikkeld. Door een hybride apparaat te bouwen dat is gemaakt van twee verschillende soorten qubits - het fundamentele rekenelement van kwantumcomputers - hebben ze een apparaat gecreëerd dat snel kan worden geïnitialiseerd en uitgelezen, en dat tegelijkertijd een hoge controlegetrouwheid handhaaft.

In een tijdperk waarin conventionele computers een limiet lijken te bereiken, kwantumcomputers - die berekeningen uitvoeren met behulp van kwantumverschijnselen - zijn aangeprezen als potentiële vervangingen, en ze kunnen problemen op een heel andere en mogelijk veel snellere manier aanpakken. Echter, het is moeilijk gebleken om ze op te schalen tot de grootte die nodig is voor het uitvoeren van real-world berekeningen.

In 1998, Daniël Verlies, een van de auteurs van de huidige studie, kwam met een voorstel, samen met David DiVincenzo van IBM, om een ​​kwantumcomputer te bouwen met behulp van de spins van elektronen die zijn ingebed in een kwantumpunt - een klein deeltje dat zich als een atoom gedraagt, maar dat kan gemanipuleerd worden, zodat ze soms 'kunstmatige atomen' worden genoemd. In de tijd sindsdien, Loss en zijn team hebben geprobeerd praktische apparaten te bouwen.

Er zijn een aantal belemmeringen voor het ontwikkelen van praktische apparaten in termen van snelheid. Eerst, het apparaat moet snel kunnen worden geïnitialiseerd. Initialisatie is het proces waarbij een qubit in een bepaalde staat wordt gebracht, en als dat niet snel kan, vertraagt ​​het het apparaat. Tweede, het moet lang genoeg coherent blijven om een ​​meting te kunnen doen. Coherentie verwijst naar de verstrengeling tussen twee kwantumtoestanden, en uiteindelijk wordt dit gebruikt om de meting uit te voeren, dus als qubits decoherent worden door omgevingsgeluid, bijvoorbeeld, het apparaat wordt waardeloos. En tenslotte, de uiteindelijke toestand van de qubit moet snel uitgelezen kunnen worden.

Hoewel er een aantal methoden zijn voorgesteld voor het bouwen van een kwantumcomputer, degene die door Loss en DiVincenzo is voorgesteld, blijft een van de praktisch meest haalbare, omdat het gebaseerd is op halfgeleiders, waarvoor al een grote industrie bestaat.

Voor het huidige onderzoek gepubliceerd in Natuurcommunicatie , het team combineerde twee soorten qubits op één apparaat. De eerste, een type single-spin qubit genaamd een Loss-DiVincenzo qubit, heeft een zeer hoge controlegetrouwheid, wat betekent dat het zich in een duidelijke staat bevindt, waardoor het ideaal is voor berekeningen, en heeft een lange decoherentietijd, zodat het relatief lang in een bepaalde toestand blijft voordat het zijn signaal aan de omgeving verliest.

Helaas, het nadeel van deze qubits is dat ze niet snel in een staat kunnen worden geïnitialiseerd of uitgelezen. De tweede soort, een singlet-triplet qubit genoemd, wordt snel geïnitialiseerd en uitgelezen, maar het wordt al snel decoherent. Voor de studie, de wetenschappers combineerden de twee typen met een soort kwantumpoort die bekend staat als een gecontroleerde fasepoort, waardoor spintoestanden verstrikt konden raken tussen de qubits in een tijd die snel genoeg was om de samenhang te behouden, waardoor de status van de single-spin qubit kan worden uitgelezen door de snelle singlet-triplet qubit-meting.

Volgens Akito Noiri van CEMS, de hoofdauteur van de studie, "Met deze studie hebben we aangetoond dat verschillende soorten kwantumdots kunnen worden gecombineerd op één apparaat om hun respectievelijke beperkingen te overwinnen. Dit biedt belangrijke inzichten die kunnen bijdragen aan de schaalbaarheid van kwantumcomputers."