Een groep internationale wetenschappers heeft de tijdsduur dat een spin-baan-qubit in silicium kwantuminformatie kan vasthouden aanzienlijk verlengd, een nieuwe weg openen om siliciumkwantumcomputers schaalbaarder en functioneler te maken.

Spin-orbit qubits worden al meer dan tien jaar onderzocht als een optie om het aantal qubits in een kwantumcomputer op te schalen. omdat ze gemakkelijk te manipuleren zijn en over lange afstanden kunnen worden gekoppeld. Echter, ze hebben altijd zeer beperkte coherentietijden getoond, veel te kort voor kwantumtechnologieën.

Het onderzoek dat vandaag is gepubliceerd in Natuurmaterialen laat zien dat lange coherentietijden mogelijk zijn wanneer spin-baankoppeling sterk genoeg is. In feite, de wetenschappers toonden coherentie maal 10 aan, 000 keer langer dan eerder geregistreerd voor spin-baan qubits, waardoor ze een ideale kandidaat zijn voor het opschalen van siliciumquantumcomputers.

"We hebben de conventionele wijsheid op zijn kop gezet door uitzonderlijk lange coherentietijden aan te tonen - ~ 10 milliseconden - en daarom, dat spin-baan qubits opmerkelijk robuust kunnen zijn, " zegt UNSW-professor Sven Rogge, hoofdonderzoeker, Centrum voor Quantum Computation and Communication Technology (CQC2T), die het onderzoeksteam leidde.

Sterke koppeling is de sleutel

Hoe stabiel een qubit is, bepaalt hoe lang het kwantuminformatie kan bewaren.

In spin-baan-qubits wordt informatie opgeslagen over de spin van het elektron en zijn beweging - hoe het atomen in het rooster van de chip 'rondloopt'. Het is de kracht van de koppeling tussen deze twee spins die de qubit stabiel houdt en minder vatbaar voor vernietiging door elektrische ruis in apparaten.

"De kwantuminformatie in de meeste spin-baan qubits is extreem kwetsbaar. Onze spin-baan qubit is speciaal omdat de kwantuminformatie die erin is opgeslagen erg robuust is, " zegt hoofdauteur Dr. Takashi Kobayashi, die het onderzoek uitvoerde bij UNSW en nu aan de Tohoku University zit.

"De informatie wordt opgeslagen in de oriëntatie van de spin en de baan van het elektron, niet alleen de spin. De cirkelvormige baan van het geladen elektron en de spin zijn als tandwielen aan elkaar vergrendeld vanwege de zeer sterke aantrekkingskracht in de spin-baankoppeling.

"Door de kracht van die spin-baankoppeling te vergroten, kunnen we de aanzienlijk langere coherentietijden bereiken die we vandaag hebben gepubliceerd."

Engineering langere coherentietijden

Om de coherentietijd te vergroten, de onderzoekers creëerden eerst spin-orbit qubits door onzuiverheden te introduceren, acceptordoteringsatomen genoemd, in een siliciumkristal. Het team heeft vervolgens de spanning in de siliciumroosterstructuur van de chip aangepast om verschillende niveaus van spin-baankoppeling te genereren.

"Het kristal is speciaal omdat het alleen de isotoop van silicium bevat zonder kernspin. Dit elimineert magnetische ruis, en omdat het gespannen is, wordt de gevoeligheid voor elektrische ruis ook verminderd", zegt Kobayashi.

"Onze chip was bevestigd op een materiaal dat bij een lage temperatuur het silicium uitrekt, zoals een rubberen band. Door het rooster tot de juiste spanning uit te rekken, konden we de spin-baankoppeling afstemmen op de optimale waarde."

Het eindresultaat produceerde coherentietijden van meer dan 10, 000 keer langer dan eerder gevonden in spin-baan qubits.

Dit betekent dat kwantuminformatie veel langer bewaard blijft, waardoor veel meer bewerkingen kunnen worden uitgevoerd - een belangrijke opstap voor het opschalen van kwantumcomputers.

Opschalen met spin-baankoppeling

Om een ​​kwantumcomputer beter te laten presteren dan een klassieke computer, een groot aantal qubits moet samenwerken om complexe berekeningen uit te voeren.

"De stabiliteit van onze spin-baan qubit voor elektrische velden is uniek, het bewijzen van een robuust nieuw pad om schaalbare kwantumcomputers te maken." Zegt co-auteur Joe Salfi, die het onderzoek deed bij CQC2T en nu aan de University of British Columbia werkt.

De bevinding maakt uiteindelijk nieuwe manieren mogelijk om individuele qubits te manipuleren en qubits over veel grotere afstanden te koppelen, wat het fabricageproces van de chip flexibeler zal maken.

De elektrische interactie maakt ook koppeling met andere kwantumsystemen mogelijk, het openen van de perspectieven van hybride kwantumsystemen.

Eerder onderzoek gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang door het UNSW-team toonde aan dat spin-baankoppeling in silicium veel voordelen biedt voor het opschalen naar een groot aantal qubits.

"Spins in silicium zijn erg aantrekkelijk voor schaalbare kwantuminformatie-apparaten omdat ze stabiel zijn en compatibel zijn met de huidige computerverwerkingstechnieken, waardoor die apparaten gemakkelijk te vervaardigen zijn, " zegt prof. Rogge.

"Nu we lange coherentietijden hebben aangetoond, spin-orbit qubits vormen een sterke kandidaat voor een grootschalige kwantumprocessor in silicium."