Een nieuwe studie geeft aan dat gaten de oplossing zijn voor de wisselwerking tussen operationele snelheid en coherentie, mogelijke opschaling van qubits naar een mini-kwantumcomputer.

Er wordt voorspeld dat kwantumcomputers veel krachtiger en functioneler zijn dan de 'klassieke' computers van vandaag.

Een manier om een ​​kwantumbit te maken is door de 'spin' van een elektron te gebruiken, die zowel naar boven als naar beneden kan wijzen. Om kwantumcomputers zo snel en energiezuinig mogelijk te maken, willen we ze laten werken met alleen elektrische velden, die worden aangebracht met gewone elektroden.

Hoewel spin normaal gesproken niet 'praat' met elektrische velden, in sommige materialen kunnen spins indirect interageren met elektrische velden, en dit zijn enkele van de heetste materialen die momenteel worden bestudeerd in kwantumcomputers.

De interactie die spins in staat stelt om met elektrische velden te praten, wordt de spin-baaninteractie genoemd. en is helemaal terug te voeren op de relativiteitstheorie van Einstein.

De angst van onderzoekers op het gebied van kwantumcomputers was dat wanneer deze interactie sterk is, elke winst in bedrijfssnelheid zou worden gecompenseerd door een verlies aan coherentie (in wezen, hoe lang we kwantuminformatie kunnen bewaren).

"Als elektronen beginnen te praten met de elektrische velden die we in het lab toepassen, dit betekent dat ze ook worden blootgesteld aan ongewenste, fluctuerende elektrische velden die in elk materiaal bestaan ​​(in het algemeen 'ruis' genoemd) en de kwetsbare kwantuminformatie van die elektronen zou worden vernietigd, " zegt A/Prof Dimi Culcer (UNSW/FLEET), die de theoretische roadmapstudie leidde.

"Maar onze studie heeft aangetoond dat deze angst niet gerechtvaardigd is."

"Onze theoretische studies tonen aan dat een oplossing wordt bereikt door gaten te gebruiken, die kan worden gezien als de afwezigheid van een elektron, zich gedragen als positief geladen elektronen."

Op deze manier, een kwantumbit kan robuust worden gemaakt tegen ladingsfluctuaties die voortkomen uit de vaste achtergrond.

Bovendien, de 'sweet spot' waarop de qubit het minst gevoelig is voor dergelijke ruis, is ook het punt waarop hij het snelst kan worden bediend.

"Onze studie voorspelt dat zo'n punt bestaat in elk kwantumbit gemaakt van gaten en biedt een reeks richtlijnen voor experimentatoren om deze punten in hun laboratoria te bereiken, ' zegt Dimie.

Het bereiken van deze punten zal experimentele inspanningen vergemakkelijken om kwantuminformatie zo lang mogelijk te bewaren. Dit zal ook strategieën bieden voor het 'opschalen' van kwantumbits - dat wil zeggen, het bouwen van een 'array' van bits die zou werken als een mini-kwantumcomputer.

"Deze theoretische voorspelling is van cruciaal belang voor het opschalen van kwantumprocessors en de eerste experimenten zijn al uitgevoerd, " zegt Prof Sven Rogge van het Centrum voor Quantum Computing en Communicatietechnologie (CQC2T)."

"Onze recente experimenten met gaten-qubits met acceptors in silicium lieten al langere coherentietijden zien dan we hadden verwacht, " zegt A/Prof Joe Salfi van de Universiteit van British Columbia. "Het is bemoedigend om te zien dat deze observaties op een stevige theoretische basis rusten. De vooruitzichten voor hole-qubits zijn inderdaad rooskleurig."

De krant, "Optimale werkingspunten voor ultrasnelle, zeer coherente Ge-gat spin-baan qubits, " werd gepubliceerd in het partnertijdschrift Nature npj Quantum-informatie in april 2021.