Een Russisch-Duits onderzoeksteam heeft een kwantumsensor gemaakt die toegang geeft tot het meten en manipuleren van individuele defecten op twee niveaus in qubits. De studie van NUST MISIS, Russian Quantum Center en het Karlsruhe Institute of Technology, gepubliceerd in npj Quantum-informatie , kan de weg vrijmaken voor quantum computing.

Bij quantum computing wordt de informatie gecodeerd in qubits. Qubits (of kwantumbits), de kwantummechanische analoog van een klassiek bit, zijn coherente systemen met twee niveaus. Een toonaangevende qubit-modaliteit tegenwoordig zijn supergeleidende qubits op basis van de Josephson-junctie. Dat is het soort qubit dat IBM en Google gebruiken in hun kwantumprocessors. Echter, wetenschappers zijn nog steeds op zoek naar de perfecte qubit - een die nauwkeurig kan worden gemeten en gecontroleerd, terwijl het onaangetast blijft door zijn omgeving.

Het belangrijkste element van een supergeleidende qubit is de Josephson-overgang tussen supergeleider-isolator-supergeleider op nanoschaal. Een Josephson-junctie is een tunneljunctie gemaakt van twee stukken supergeleidend metaal, gescheiden door een zeer dunne isolerende barrière. De meest gebruikte isolator is aluminiumoxide.

Moderne technieken laten niet toe om een ​​qubit met 100% precisie te bouwen, wat resulteert in zogenaamde tunneling-defecten op twee niveaus die de prestaties van supergeleidende kwantumapparaten beperken en rekenfouten veroorzaken. Die defecten dragen bij aan de extreem korte levensduur van een qubit, of decoherentie.

Tunneldefecten in aluminiumoxide en aan oppervlakken van supergeleiders zijn een belangrijke bron van fluctuaties en energieverliezen in supergeleidende qubits, uiteindelijk beperken van de computer runtime. Hoe meer materiële gebreken optreden, hoe meer ze de prestaties van de qubit beïnvloeden, meer rekenfouten veroorzaken, merkten de onderzoekers op.

De nieuwe kwantumsensor geeft toegang tot het meten en manipuleren van individuele defecten op twee niveaus in kwantumsystemen. Volgens prof. Alexey Ustinov, hoofd van het laboratorium voor supergeleidende metamaterialen bij NUST MISIS en groepshoofd bij het Russische kwantumcentrum, die co-auteur was van de studie, de sensor zelf is een supergeleidende qubit, en het maakt de detectie en manipulatie van individuele defecten mogelijk. Traditionele technieken voor het bestuderen van materiële structuur, zoals kleine-hoek röntgenverstrooiing (SAXS), zijn niet gevoelig genoeg om kleine individuele defecten te herkennen, daarom zal het gebruik van die technieken niet helpen om de beste qubit te bouwen. De studie kan wegen openen voor kwantummateriaalspectroscopie om de structuur van tunnelingdefecten te onderzoeken en om verliesarme diëlektrica te ontwikkelen die dringend nodig zijn voor de vooruitgang van supergeleidende kwantumcomputers, geloven de onderzoekers.