Stel je een wereld voor waar mensen alleen konden praten met hun buurman, en berichten moeten van huis tot huis worden doorgegeven om verre bestemmingen te bereiken.

Tot nu, dit was de situatie voor de stukjes hardware die deel uitmaken van een silicium kwantumcomputer, een soort kwantumcomputer met het potentieel om goedkoper en veelzijdiger te zijn dan de huidige versies.

Nu heeft een team van Princeton University deze beperking overwonnen en aangetoond dat twee kwantumcomputercomponenten, bekend als silicium "spin" qubits, kunnen interageren, zelfs als ze relatief ver uit elkaar staan ​​op een computerchip. De studie werd gepubliceerd in het tijdschrift Natuur .

"De mogelijkheid om berichten over deze afstand op een siliciumchip te verzenden, ontsluit nieuwe mogelijkheden voor onze kwantumhardware, " zei Jason Petta, de Eugene Higgins hoogleraar natuurkunde aan Princeton en leider van de studie. "Het uiteindelijke doel is om meerdere kwantumbits te rangschikken in een tweedimensionaal raster dat nog complexere berekeningen kan uitvoeren. Het onderzoek moet op de lange termijn helpen om de communicatie van qubits op een chip en van de ene chip naar de andere te verbeteren. "

Quantumcomputers hebben het potentieel om uitdagingen aan te gaan die verder gaan dan de mogelijkheden van alledaagse computers, zoals het ontbinden van grote getallen. Een kwantumbit, of qubit, kan veel meer informatie verwerken dan een gewoon computerbitje, omdat terwijl elke klassieke computerbit een waarde van 0 of 1 kan hebben een kwantumbit kan tegelijkertijd een reeks waarden tussen 0 en 1 vertegenwoordigen.

Om de belofte van quantum computing waar te maken, deze futuristische computers zullen tienduizenden qubits nodig hebben die met elkaar kunnen communiceren. De prototype kwantumcomputers van Google van vandaag, IBM en andere bedrijven bevatten tientallen qubits gemaakt van een technologie met supergeleidende circuits, maar veel technologen beschouwen op silicium gebaseerde qubits op de lange termijn als veelbelovender.

Silicium spin-qubits hebben verschillende voordelen ten opzichte van supergeleidende qubits. De silicium spin-qubits behouden hun kwantumtoestand langer dan concurrerende qubit-technologieën. Het wijdverbreide gebruik van silicium voor alledaagse computers betekent dat op silicium gebaseerde qubits tegen lage kosten kunnen worden vervaardigd.

De uitdaging komt deels voort uit het feit dat silicium-spinqubits zijn gemaakt van enkele elektronen en extreem klein zijn.

"De bedrading of 'interconnects' tussen meerdere qubits is de grootste uitdaging voor een grootschalige kwantumcomputer, " zei James Clarke, directeur kwantumhardware bij Intel, wiens team silicium qubits bouwt met behulp van Intel's geavanceerde productielijn, en wie niet bij het onderzoek betrokken was. "Het team van Jason Petta heeft geweldig werk verricht om te bewijzen dat spin-qubits op lange afstanden kunnen worden gekoppeld."

Om dit te bereiken, het Princeton-team verbond de qubits via een "draad" die licht transporteert op een manier die analoog is aan de glasvezeldraden die internetsignalen aan huizen leveren. In dit geval, echter, de draad is eigenlijk een smalle holte die een enkel deeltje licht bevat, of foton, die het bericht van de ene qubit oppikt en doorstuurt naar de volgende qubit.

De twee qubits bevonden zich op ongeveer een halve centimeter, of ongeveer de lengte van een rijstkorrel, deel. Om dat in perspectief te plaatsen, als elke qubit zo groot was als een huis, de qubit zou een bericht kunnen sturen naar een andere qubit op 750 mijl afstand.

De belangrijkste stap voorwaarts was het vinden van een manier om de qubits en het foton dezelfde taal te laten spreken door ze alle drie op dezelfde frequentie af te stemmen. Het team slaagde erin beide qubits onafhankelijk van elkaar af te stemmen en ze toch aan het foton te koppelen. Voorheen stond de architectuur van het apparaat het koppelen van slechts één qubit per keer aan het foton toe.

"Je moet de qubit-energieën aan beide zijden van de chip in evenwicht brengen met de foton-energie om alle drie de elementen met elkaar te laten praten, zei Felix Borjans, een afgestudeerde student en eerste auteur van het onderzoek. "Dit was het echt uitdagende deel van het werk."

Elke qubit is samengesteld uit een enkel elektron dat gevangen zit in een kleine kamer die een dubbele kwantumstip wordt genoemd. Elektronen hebben een eigenschap die bekend staat als spin, die naar boven of naar beneden kan wijzen op een manier die analoog is aan een kompasnaald die naar het noorden of het zuiden wijst. Door het elektron te zappen met een microgolfveld, de onderzoekers kunnen de spin omhoog of omlaag draaien om de qubit een kwantumtoestand van 1 of 0 toe te kennen.

"Dit is de eerste demonstratie van verstrengeling van elektronenspins in silicium, gescheiden door afstanden die veel groter zijn dan de apparaten die die spins bevatten, " zei Thaddeus Ladd, senior wetenschapper bij HRL Laboratories en een medewerker aan het project. "Niet zo lang geleden, er was twijfel of dit mogelijk was, vanwege de tegenstrijdige vereisten van het koppelen van spins aan microgolven en het vermijden van de effecten van lawaaierige ladingen die in op silicium gebaseerde apparaten bewegen. Dit is een belangrijk bewijs van de mogelijkheid voor siliciumqubits, omdat het aanzienlijke flexibiliteit toevoegt bij het bedraden van die qubits en hoe ze geometrisch worden ingedeeld in toekomstige op silicium gebaseerde 'kwantummicrochips'."

De communicatie tussen twee verre op silicium gebaseerde qubits-apparaten bouwt voort op eerder werk van het onderzoeksteam van Petta. In een artikel uit 2010 in het tijdschrift Wetenschap , het team toonde aan dat het mogelijk is om enkele elektronen in kwantumputten te vangen. In het journaal Natuur in 2012, het team rapporteerde de overdracht van kwantuminformatie van elektronenspins in nanodraden naar microgolffrequentiefotonen, en in 2016 in Wetenschap ze demonstreerden het vermogen om informatie van een op silicium gebaseerde ladingsqubit naar een foton te verzenden. Ze demonstreerden in 2017 de handel in informatie in qubits door naaste buren in Wetenschap . En het team toonde in 2018 in Natuur dat een silicium spin-qubit informatie zou kunnen uitwisselen met een foton.

Jelena Vuckovic, hoogleraar elektrotechniek en de Jensen Huang Professor in Global Leadership aan de Stanford University, die niet bij het onderzoek betrokken was, merkte op:"Demonstratie van langeafstandsinteracties tussen qubits is cruciaal voor de verdere ontwikkeling van kwantumtechnologieën zoals modulaire kwantumcomputers en kwantumnetwerken. Dit opwindende resultaat van het team van Jason Petta is een belangrijke mijlpaal in de richting van dit doel, omdat het niet-lokale interactie aantoont tussen twee elektronenspins die meer dan 4 millimeter van elkaar zijn gescheiden, gemedieerd door een microgolffoton. Bovendien, om dit kwantumcircuit te bouwen, het team gebruikte silicium en germanium-materialen die veel worden gebruikt in de halfgeleiderindustrie."