Aan het Niels Bohr Instituut, Universiteit van Kopenhagen, onderzoekers hebben de uitwisseling van elektronenspins tussen verre kwantumstippen gerealiseerd. De ontdekking brengt ons een stap dichter bij toekomstige toepassingen van kwantuminformatie, omdat de kleine puntjes genoeg ruimte op de microchip moeten laten voor delicate stuurelektroden. De afstand tussen de stippen is nu groot genoeg geworden voor integratie met traditionele micro-elektronica en misschien een toekomstige kwantumcomputer. Het resultaat wordt bereikt via een multinationale samenwerking met Purdue University en UNSW, Sydney, Australië, nu gepubliceerd in Natuurcommunicatie .

Grootte is van belang bij de uitwisseling van kwantuminformatie, zelfs op nanometerschaal

Kwantuminformatie kan worden opgeslagen en uitgewisseld met behulp van elektronenspintoestanden. De lading van de elektronen kan worden gemanipuleerd door poortspanningspulsen, die ook hun spin controleert. Men geloofde dat deze methode alleen praktisch kan zijn als kwantumstippen elkaar raken; als ze te dicht bij elkaar worden geperst, zullen de spins te heftig reageren, als ze te ver uit elkaar worden geplaatst, zullen de spins veel te langzaam op elkaar inwerken. Dit zorgt voor een dilemma, want als een kwantumcomputer ooit het daglicht zal zien, we hebben beide nodig, snelle spin-uitwisseling en voldoende ruimte rond quantum dots om plaats te bieden aan de gepulseerde poortelektroden.

Normaal gesproken, de linker- en rechterpunten in de lineaire reeks kwantumpunten (afbeelding 1) zijn te ver uit elkaar om kwantuminformatie met elkaar uit te wisselen. Frederico Martins, postdoc bij UNSW, Sydney, Australië, legt uit:"We coderen kwantuminformatie in de spintoestanden van de elektronen, die de gewenste eigenschap hebben dat ze weinig interactie hebben met de lawaaierige omgeving, waardoor ze bruikbaar zijn als robuuste en langlevende kwantumherinneringen. Maar als je kwantuminformatie actief wilt verwerken, het gebrek aan interactie is contraproductief – want nu wil je dat de spins op elkaar inwerken!" Wat te doen? Je kunt niet zowel langlevende informatie als informatie-uitwisseling hebben - zo lijkt het tenminste. langwerpige kwantumstip tussen de linker stippen en rechter stippen, het kan een coherente wisseling van spintoestanden bemiddelen, binnen een miljardste van een seconde, zonder ooit elektronen uit hun punten te halen. Met andere woorden, we hebben nu zowel snelle interactie als de nodige ruimte voor de gepulseerde poortelektroden ", zegt Ferdinand Kuemmeth, universitair hoofddocent aan het Niels Bohr Instituut.

De samenwerking tussen onderzoekers met uiteenlopende expertises was de sleutel tot succes. Interne samenwerkingen bevorderen voortdurend de betrouwbaarheid van nanofabricageprocessen en de verfijning van lage-temperatuurtechnieken. In feite, bij het Centrum voor Quantum Apparaten, grote kanshebbers voor de implementatie van solid-state kwantumcomputers worden momenteel intensief bestudeerd, namelijk halfgeleidende spinqubits, supergeleidende gatemon-qubits, en topologische Majorana-qubits.

Het zijn allemaal spanningsgestuurde qubits, waardoor onderzoekers trucs kunnen delen en samen technische uitdagingen kunnen oplossen. Maar Kuemmeth voegt er snel aan toe dat "dit allemaal zinloos zou zijn als we überhaupt geen toegang hadden tot extreem schone halfgeleidende kristallen". Michael Manfra, Hoogleraar materiaalkunde, is het ermee eens:"Purdue heeft veel werk gestoken in het begrijpen van de mechanismen die leiden tot stille en stabiele kwantumdots. Het is fantastisch om te zien dat dit werk voordelen oplevert voor de nieuwe qubits van Kopenhagen".

Het theoretische kader van de ontdekking wordt geleverd door de Universiteit van Sydney, Australië. Stephen Bartlett, een professor in de kwantumfysica aan de Universiteit van Sydney, zei:"Wat ik als theoreticus opwindend vind aan dit resultaat, is dat het ons bevrijdt van de beperkende geometrie van een qubit die alleen vertrouwt op zijn naaste buren". Zijn team voerde gedetailleerde berekeningen uit, het verstrekken van de kwantummechanische verklaring voor de contra-intuïtieve ontdekking.

Algemeen, de demonstratie van snelle spin-uitwisseling vormt niet alleen een opmerkelijke wetenschappelijke en technische prestatie, maar kan ingrijpende gevolgen hebben voor de architectuur van solid-state kwantumcomputers. De reden is de afstand:"Als spins tussen niet-naburige qubits controleerbaar kunnen worden uitgewisseld, dit zal de realisatie van netwerken mogelijk maken waarin de verhoogde qubit-qubit-connectiviteit zich vertaalt in een aanzienlijk groter rekenkwantumvolume", voorspelt Kuemmeth.