Qubits zijn de bouwstenen van kwantumcomputers, die het potentieel hebben om een ​​revolutie teweeg te brengen in vele onderzoeksgebieden door problemen op te lossen die klassieke computers niet kunnen.

Maar het maken van qubits met de perfecte kwaliteit die nodig is voor kwantumcomputing kan een uitdaging zijn.

Onderzoekers van de Universiteit van Wisconsin-Madison, HRL Laboratories LLC en de Universiteit van New South Wales (UNSW) werkten samen aan een project om silicium quantum dot qubits beter te controleren, waardoor fabricage van hogere kwaliteit en gebruik in bredere toepassingen mogelijk wordt. Alle drie de instellingen zijn aangesloten bij de Chicago Quantum Exchange. Het werk is gepubliceerd in Physical Review Letters , en de hoofdauteur, J.P. Dodson, is onlangs overgestapt van UW-Madison naar HRL.

"Consistentie is wat we hier zoeken", zegt Mark Friesen, Distinguished Scientist of Physics bij UW-Madison en auteur van de krant. "Onze claim is dat er eigenlijk hoop is om een ​​zeer uniforme reeks stippen te creëren die als qubits kunnen worden gebruikt."

Gevoelige kwantumtoestanden

Terwijl klassieke computerbits elektrische circuits gebruiken om twee mogelijke waarden (0 en 1) weer te geven, gebruiken qubits twee kwantumtoestanden om 0 en 1 weer te geven, waardoor ze voordeel kunnen halen uit kwantumfenomenen zoals superpositie om krachtige berekeningen uit te voeren.

Qubits kunnen op verschillende manieren worden geconstrueerd. Een manier om een ​​qubit te bouwen is door een kwantumdot te fabriceren, of een heel, heel kleine kooi voor elektronen, gevormd in een siliciumkristal. In tegenstelling tot qubits gemaakt van enkele atomen, die van nature allemaal identiek zijn, zijn kwantumdot-qubits door de mens gemaakt, waardoor onderzoekers ze kunnen aanpassen aan verschillende toepassingen.

Maar een veelvoorkomende sleutel in de metaforische versnellingen van deze siliciumqubits is de concurrentie tussen verschillende soorten kwantumtoestanden. De meeste qubits gebruiken "spintoestanden" om 0 en 1 weer te geven, die afhankelijk zijn van een unieke kwantumeigenschap die spin wordt genoemd. Maar als de qubit andere soorten kwantumtoestanden met vergelijkbare energieën heeft, kunnen die andere toestanden interfereren, waardoor het voor wetenschappers moeilijk wordt om de qubit effectief te gebruiken.

In siliciumkwantumdots zijn de toestanden die het vaakst concurreren met de toestanden die nodig zijn voor computergebruik 'valleitoestanden', genoemd naar hun locaties in een energiegrafiek - ze bestaan ​​in de 'dalen' van de grafiek.

Om de meest effectieve kwantumdot-qubit te hebben, moeten de daltoestanden van de stip zodanig worden gecontroleerd dat ze niet interfereren met de kwantuminformatiedragende spintoestanden. Maar de valleistaten zijn extreem gevoelig; de kwantumstippen zitten op een plat oppervlak, en als er zelfs maar één extra atoom op het oppervlak onder de kwantumdot is, veranderen de energieën van de valleitoestanden.

De auteurs van de studie zeggen dat dit soort defecten van één atoom vrijwel "onvermijdelijk" zijn, dus vonden ze een manier om de valleistaten te beheersen, zelfs in de aanwezigheid van defecten. Door de spanning over de stip te manipuleren, ontdekten de onderzoekers dat ze de stip fysiek konden verplaatsen over het oppervlak waarop hij staat.

"Met de poortspanningen kun je de stip een paar nanometer over de interface verplaatsen waarop hij zich bevindt, en door dat te doen, verander je zijn positie ten opzichte van functies op atomaire schaal", zegt Mark Eriksson, John Bardeen Professor en voorzitter van de UW -Madison natuurkunde afdeling, die aan het project heeft gewerkt. "Dat verandert de energieën van valleistaten op een beheersbare manier."

"De boodschap van dit artikel om mee naar huis te nemen," zegt hij, "is dat de energieën van de valleistaten niet voor altijd worden bepaald als je eenmaal een kwantumpunt maakt. We kunnen ze afstemmen, en dat stelt ons in staat om betere qubits te maken die naar zorgen voor betere kwantumcomputers."

Voortbouwen op academische en industriële expertise

De gastheermaterialen voor de kwantumdots worden "gegroeid" met een precieze laagsamenstelling. Het proces is uiterst technisch en Friesen merkt op dat Lisa Edge bij HRL Laboratories een wereldexpert is.

"Er zijn tientallen jaren kennis voor nodig om deze apparaten goed te kunnen laten groeien", zegt Friesen. "We werken al meerdere jaren samen met HRL en ze zijn erg goed in het beschikbaar stellen van echt hoogwaardige materialen."

Het werk profiteerde ook van de kennis van Susan Coppersmith, een theoreticus die eerder bij UW-Madison werkte en in 2018 naar UNSW verhuisde. Eriksson zegt dat het collaboratieve karakter van het onderzoek cruciaal was voor het succes ervan.

"Dit werk, dat ons veel nieuwe kennis geeft over hoe we deze qubits precies kunnen controleren, had niet kunnen worden gedaan zonder onze partners bij HRL en UNSW", zegt Eriksson. "Er is een sterk gemeenschapsgevoel in de kwantumwetenschap en -technologie, en dat duwt het veld echt vooruit." + Verder verkennen

Onderzoekers demonstreren foutcorrectie in een silicium qubit-systeem