Onderzoekers hebben met succes geluidsgolven gebruikt om kwantuminformatie in een enkel elektron te controleren, een belangrijke stap in de richting van een efficiënte, robuuste kwantumcomputers gemaakt van halfgeleiders.

Het internationale team, waaronder onderzoekers van de Universiteit van Cambridge, stuurde hoogfrequente geluidsgolven over een gemodificeerd halfgeleiderapparaat om het gedrag van een enkel elektron te sturen, met een efficiëntie van meer dan 99 procent. De resultaten worden gerapporteerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie .

Een kwantumcomputer zou voorheen onoplosbare rekenproblemen kunnen oplossen door gebruik te maken van het vreemde gedrag van deeltjes op subatomaire schaal, en kwantumverschijnselen zoals verstrengeling en superpositie. Echter, het nauwkeurig controleren van het gedrag van kwantumdeeltjes is een gigantische taak.

"Wat een kwantumcomputer zo krachtig zou maken, is zijn vermogen om exponentieel te schalen, " zei co-auteur Hugo Lepage, een doctoraat kandidaat in het Cavendish-laboratorium van Cambridge, die het theoretische werk voor de huidige studie heeft uitgevoerd. "In een klassieke computer, om de hoeveelheid informatie te verdubbelen moet je het aantal bits verdubbelen. Maar in een kwantumcomputer, je hoeft maar één kwantumbit toe te voegen, of qubit, om de informatie te verdubbelen."

Vorige maand, onderzoekers van Google beweerden 'quantum suprematie' te hebben bereikt, het punt waarop een kwantumcomputer berekeningen kan uitvoeren die de capaciteit van de krachtigste supercomputers te boven gaan. Echter, de kwantumcomputers die Google, IBM en anderen ontwikkelen, zijn gebaseerd op supergeleidende lussen, die complexe circuits zijn en, zoals alle kwantumsystemen, zijn zeer kwetsbaar.

"De kleinste fluctuatie of afwijking zal de kwantuminformatie in de fasen en stromen van de lussen beschadigen, "zei Lepage. "Dit is nog steeds een zeer nieuwe technologie en uitbreiding buiten de tussenliggende schaal kan ertoe leiden dat we naar het niveau van een enkel deeltje moeten gaan."

In plaats van supergeleidende lussen, de kwantuminformatie in de kwantumcomputer Lepage en zijn collega's bedenken het gebruik van de 'spin' van een elektron - het inherente impulsmoment, die omhoog of omlaag kan zijn - om kwantuminformatie op te slaan.

"Het benutten van spin om een ​​functionerende kwantumcomputer van stroom te voorzien is een meer schaalbare benadering dan het gebruik van supergeleiding, en we geloven dat het gebruik van spin kan leiden tot een kwantumcomputer die veel robuuster is, omdat spin-interacties worden bepaald door de natuurwetten, ' zei Lepage.

Door spin te gebruiken, kan de kwantuminformatie gemakkelijker worden geïntegreerd met bestaande systemen. Het apparaat dat in het huidige werk is ontwikkeld, is gebaseerd op veelgebruikte halfgeleiders met enkele kleine aanpassingen.

Het apparaat, die experimenteel werd getest door Lepage's co-auteurs van het Institut Néel, meet slechts een paar miljoenste van een meter lang. De onderzoekers legden metalen poorten over een halfgeleider en brachten een spanning aan, die een complex elektrisch veld opwekte. De onderzoekers stuurden vervolgens hoogfrequente geluidsgolven over het apparaat, waardoor het trilt en vervormt, als een kleine aardbeving. Terwijl de geluidsgolven zich voortplanten, ze vangen de elektronen op, ze op een zeer precieze manier door het apparaat duwen, alsof de elektronen op de geluidsgolven 'surfen'.

De onderzoekers waren in staat om het gedrag van een enkel elektron te controleren met een efficiëntie van 99,5%. "Een enkel elektron op deze manier besturen is al moeilijk, maar om een ​​punt te bereiken waarop we een werkende kwantumcomputer kunnen hebben, we moeten in staat zijn om meerdere elektronen te controleren, die exponentieel moeilijker worden naarmate de qubits met elkaar gaan interageren, ' zei Lepage.

In de komende maanden, de onderzoekers zullen het apparaat gaan testen met meerdere elektronen, wat een werkende kwantumcomputer weer een stap dichterbij zou brengen.