Het creëren van een krachtige, grootschalige kwantumcomputer hangt af van een slim ontwerp zodat veel qubits (de bouwsteen van een kwantumcomputer) bestuurd en uitgelezen kunnen worden. Onderzoekers van QuTech, een samenwerking tussen TU Delft en TNO, hebben een nieuwe uitleesmethode uitgevonden die een belangrijke stap voorwaarts is op weg naar zo'n grootschalige quantumcomputer. Ze hebben hun bevindingen gepubliceerd in Natuurcommunicatie vandaag.

Zoals omvallende dominostenen

"Onze nieuwe uitleesmethode is gebaseerd op een fenomeen dat we allemaal kennen uit onze kindertijd:omvallende dominostenen, zei Sjaak van Diepen, doctoraat onderzoeker in de groep van Lieven Vandersypen en hoofdauteur van het artikel. "Een eerste transitie triggert een tweede transitie, een tweede transitie triggert een derde transitie, enzovoort, net zoals dominostenen die in een kettingreactie omvallen." Gezien de implicaties van dit domino-effect heeft het team een ​​nieuwe uitleesmethode uitgevonden. Het zal in staat zijn om een ​​grote uitdaging aan te gaan die gepaard gaat met opschaling naar grootschalige kwantumcomputers:die van qubit-connectiviteit (de mogelijkheid om veel qubits met elkaar te verbinden).

Spin-qubits in kwantumdot-arrays

De benadering van de groep van Vandersypen om een ​​kwantumcomputer te bouwen is gebaseerd op zogenaamde spinqubits in kwantumdot-arrays. Kwantumdots zijn zeer kleine eilandjes die elk een of meerdere elektronen kunnen opsluiten en in een tunnel zijn gekoppeld aan hun buren. De spin van het elektron werkt als een qubit. Spinqubits in kwantumdots worden uitgelezen via een zeer gevoelige detector die de lading in zijn omgeving meet. Van Diepen:"Laadsensoren werken goed, maar alleen lokaal:ze moeten dicht bij de lading zijn die ze meten. Het opschalen van de huidige aanpak naar een groot aantal onderling verbonden qubits zal daarom de qubit-connectiviteit beperken, omdat we sensoren dicht bij alle qubits zouden moeten plaatsen."

Quantuminformatie over een afstand overbrengen

Het nieuwe uitleesschema dat door de wetenschappers is uitgevonden, zorgt ervoor dat zelfs een spin-qubit ver weg van de ladingssensor nog steeds met hoge nauwkeurigheid wordt uitgelezen. Tzu Kan Hsiao, postdoc en tweede auteur van het artikel:"Onze uitleesmethode is gebaseerd op het feit dat ladingen met elkaar in wisselwerking staan. een eerste ladingsovergang kan andere ladingsovergangen veroorzaken, waardoor een cascade van overgangen ontstaat."

Voordat een dergelijke cascade van overgangen kan plaatsvinden, de onderzoekers moeten er eerst voor zorgen dat de elektronen gevoelig worden voor die overgangen - net zoals dominostenen rechtop moeten worden gezet voordat ze kunnen omvallen. Van Diepen:"We triggeren een eerste ladingstransitie via een methode die spin-to-charge conversie wordt genoemd, waarbij een bepaalde spintoestand zal leiden tot een ladingsovergang. Dit zet de cascade van overgangen in gang, waardoor we de spin van een lading ver weg van de sensor kunnen uitlezen."

De wetenschappers hopen dat andere onderzoeksgroepen en de industrie die werken aan de ontwikkeling van een kwantumcomputer, baat zullen hebben bij het implementeren van de uitleesmethode en voortbouwen op hun bevindingen. Op deze manier, de uitdagingen op weg naar een grootschalige kwantumcomputer kunnen één voor één worden overwonnen - net als het omvallen van dominostenen.