Quantum computing maakt gebruik van raadselachtige eigenschappen van kleine deeltjes om complexe informatie te verwerken. Maar kwantumsystemen zijn kwetsbaar en foutgevoelig, en bruikbare kwantumcomputers moeten nog tot wasdom komen.

Onderzoekers van de Quantum Dynamics Unit van de Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) bedachten een nieuwe methode - genaamd beeldladingsdetectie - om de overgangen van elektronen naar kwantumtoestanden te detecteren. Elektronen kunnen dienen als kwantumbits, de kleinste eenheid van kwantuminformatie; deze bits zijn fundamenteel voor grotere rekensystemen. Quantumcomputers kunnen worden gebruikt om het mechanisme van supergeleiding te begrijpen, cryptografie, kunstmatige intelligentie, onder andere toepassingen.

"Er is een enorme kloof tussen het beheersen van een paar kwantumbits en het bouwen van een kwantumcomputer, " zei dr. Erika Kawakami, de hoofdauteur van een nieuwe studie, gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven op voorstel van de redactie. "Met de huidige state-of-art quantumbits, een kwantumcomputer zou zo groot moeten zijn als een voetbalveld. Onze nieuwe aanpak zou mogelijk een chip van tien centimeter kunnen opleveren."

Een nieuw potentieel voor elektronen op helium

Elektronen moeten worden geïmmobiliseerd om als kwantumbits te dienen; anders kunnen ze vrij bewegen. Om een ​​systeem voor het vastleggen van elektronen te creëren, de onderzoekers gebruikten vloeibaar helium, die vloeibaar wordt bij koude temperaturen, als ondergrond. Omdat helium vrij is van onzuiverheden, van deze elektronen wordt verwacht dat ze kwantumtoestanden langer behouden dan in andere materialen, wat belangrijk is voor het realiseren van een kwantumcomputer.

Prof. Denis Konstantinov en zijn medewerkers, Kawakami en Dr. Asem Elarabi, plaatste een condensator met parallelle platen in een koperen cel, afgekoeld tot 0,2 graden Kelvin (-272,8 graden Celsius) en gevuld met gecondenseerd vloeibaar helium. Elektronen gegenereerd door een wolfraamgloeidraad zaten bovenop het oppervlak van het vloeibare helium, tussen de twee condensatorplaten. Vervolgens, microgolfstraling geïntroduceerd in de kwantumtoestanden van de geëxciteerde elektronen van de kopercel, waardoor de elektronen weg bewegen van de onderste condensatorplaat en dichter bij de bovenste condensatorplaat komen.

De onderzoekers bevestigden de excitatie van kwantumtoestanden door een elektrostatisch fenomeen te observeren dat beeldlading wordt genoemd. Als een weerspiegeling in een spiegel, beeldlading geeft precies de beweging van elektronen weer. Als een elektron verder van de condensatorplaat af beweegt, dan beweegt de beeldlading ernaast.

Vooruit gaan, de onderzoekers hopen deze beeldladingsdetectie te gebruiken om de spintoestand van een individueel elektron te meten, of kwantumorbitale toestand, zonder de integriteit van de kwantumsystemen te verstoren.

"Momenteel, we kunnen de kwantumtoestanden detecteren van een ensemble van vele elektronen, "Zei Konstantinov. "Het sterke punt van deze nieuwe methode is dat we deze techniek kunnen verkleinen tot een enkel elektron en het als een kwantumbit kunnen gebruiken."