Kwantumcomputers, met hun beloften om nieuwe materialen te creëren en hardnekkige wiskundige problemen op te lossen, zijn een droom van veel natuurkundigen. Nutsvoorzieningen, ze naderen langzaam een ​​levensvatbare realisatie in veel laboratoria over de hele wereld. Maar er zijn nog enorme uitdagingen om het hoofd te bieden. Een centrale is de constructie van stabiele kwantumbits - de fundamentele eenheid van kwantumberekening, kortweg "qubit" genoemd - die aan elkaar kunnen worden gekoppeld.

In een studie gepubliceerd in Natuurmaterialen en geleid door Daniel Jirovec van de Katsaros-groep bij IST Oostenrijk in nauwe samenwerking met onderzoekers van het L-NESS Interuniversitair Centrum in Como, Italië, wetenschappers hebben nu een nieuw en veelbelovend kandidaatsysteem voor betrouwbare qubits gecreëerd.

Spin Afwezigheid

De onderzoekers maakten de qubit met behulp van de spin van zogenaamde gaten. Elk gat is gewoon de afwezigheid van een elektron in een vast materiaal. wonderbaarlijk, een ontbrekende, negatief geladen deeltje kan fysiek worden behandeld alsof het een positief geladen deeltje is. Het kan zelfs in de vaste stof bewegen wanneer een naburig elektron het gat vult. Dus, effectief, het gat beschreven als positief geladen deeltje beweegt naar voren.

Deze gaten dragen zelfs de kwantummechanische eigenschap van spin en kunnen interageren als ze dicht bij elkaar komen. "Onze collega's van L-NESS hebben verschillende mengsels van silicium en germanium van slechts enkele nanometers dik op elkaar aangebracht. Dat stelt ons in staat om de gaten te beperken tot de germaniumrijke laag in het midden, " legt Jirovec uit. "Bovendien, we hebben kleine elektrische draden toegevoegd - zogenaamde poorten - om de beweging van gaten te regelen door er spanning op aan te brengen. De elektrisch positief geladen gaten reageren op de spanning en kunnen zeer nauwkeurig in hun laag worden verplaatst."

Met behulp van deze controle op nanoschaal, de wetenschappers verplaatsten twee gaten dicht bij elkaar om een ​​qubit te maken uit hun wisselwerkende spins. Maar om dit te laten werken, ze moesten een magnetisch veld toepassen op de hele opstelling. Hier, hun innovatieve aanpak komt om de hoek kijken.

Qubits koppelen

In hun opstelling, Jirovec en zijn collega's kunnen niet alleen gaten verplaatsen, maar ook hun eigenschappen veranderen. Door verschillende gateigenschappen te ontwerpen, ze creëerden de qubit uit de twee op elkaar inwerkende gatenspins met minder dan tien millitesla magnetische veldsterkte. Dit is een zwak magnetisch veld in vergelijking met andere vergelijkbare qubit-opstellingen, die ten minste tien keer sterkere velden in dienst hebben.

Maar waarom is dat relevant? "Door onze gelaagde germaniumopstelling te gebruiken, kunnen we de vereiste magnetische veldsterkte verminderen en daarom de combinatie van onze qubit met supergeleiders mogelijk maken, meestal geremd door sterke magnetische velden, " zegt Jirovec. Supergeleiders - materialen zonder enige elektrische weerstand - ondersteunen de koppeling van verschillende qubits vanwege hun kwantummechanische aard. Dit zou wetenschappers in staat kunnen stellen nieuwe soorten kwantumcomputers te bouwen die halfgeleiders en supergeleiders combineren.

Naast de nieuwe technische mogelijkheden, deze hole spin-qubits zien er veelbelovend uit vanwege hun verwerkingssnelheid. Met tot honderd miljoen bewerkingen per seconde en hun lange levensduur van maximaal 150 microseconden lijken ze bijzonder levensvatbaar voor kwantumcomputers. Gebruikelijk, er is een afweging tussen deze eigenschappen, maar dit nieuwe ontwerp brengt beide voordelen samen.