Quantum computing heeft het potentieel om een ​​baanbrekende toekomstige technologie te zijn op gebieden variërend van chemie tot cryptografie tot financiën tot farmaceutica. Vergeleken met conventionele computers, suggereren wetenschappers dat kwantumcomputers duizenden keren sneller zouden kunnen werken. Om deze kracht te benutten, zoeken wetenschappers tegenwoordig naar manieren om kwantumcomputernetwerken te bouwen. In deze netwerken zal fouttolerant kwantumgeheugen, dat goed reageert op hardware- of softwarestoringen, een belangrijke rol spelen. Een onderzoeksteam van de Yokohama National University onderzoekt kwantumgeheugen dat bestand is tegen operationele of omgevingsfouten.

Het onderzoeksteam rapporteerde hun bevindingen op 27 april 2022 in het tijdschrift Communications Physics .

Om kwantumcomputers hun volledige potentieel te laten bereiken, moeten wetenschappers kwantumnetwerken kunnen bouwen. In deze netwerken is fouttolerant kwantumgeheugen essentieel. Wanneer wetenschappers spin-quantumgeheugen manipuleren, is een magnetisch veld vereist. Het magnetische veld belemmert de integratie met de supergeleidende kwantumbits, of qubits. De qubits in quantum computing zijn basiseenheden van informatie, vergelijkbaar met de binaire cijfers of bits in conventionele computers.

Om een ​​kwantumcomputer op basis van supergeleidende qubits op te schalen, moeten wetenschappers opereren onder een magnetisch veld van nul. In hun zoektocht om de technologie verder te ontwikkelen naar een fouttolerante kwantumcomputer, bestudeerde het onderzoeksteam stikstof-leegstandcentra in diamant. Stikstofvacaturecentra zijn veelbelovend in een reeks toepassingen, waaronder kwantumcomputing. Met behulp van een diamant-stikstof-vacaturecentrum met twee nucleaire spins van de omringende koolstofisotopen, demonstreerde het team kwantumfoutcorrectie in kwantumgeheugen. Ze testten een kwantumfoutcorrectie van drie qubits tegen zowel een bit-flip- als een fase-flip-fout, onder een magnetisch veld van nul. De bit-flip- of phase-flip-fouten kunnen optreden wanneer er veranderingen in het magnetische veld zijn. Om een ​​magnetisch veld van nul te bereiken, gebruikte het team een ​​driedimensionale spoel om het resterende magnetische veld, inclusief het aardmagnetische veld, op te heffen. Dit kwantumgeheugen is gecodeerd voor foutcorrectie om fouten automatisch te corrigeren wanneer ze zich voordoen.

Eerder onderzoek had kwantumfoutcorrectie aangetoond, maar dat gebeurde allemaal onder relatief sterke magnetische velden. Het onderzoeksteam van Yokohama National University is het eerste dat de kwantumwerking van het elektron en de kernspins demonstreert in afwezigheid van een magnetisch veld.

"De kwantumfoutcorrectie maakt het kwantumgeheugen bestand tegen operationele of omgevingsfouten zonder dat magnetische velden nodig zijn en opent de weg naar gedistribueerde kwantumberekening en een kwantuminternet met op geheugen gebaseerde kwantuminterfaces of kwantumrepeaters", zegt Hideo Kosaka, een professor aan Yokohama University en hoofdauteur van het onderzoek.

De demonstratie van het team kan worden toegepast op de constructie van een grootschalige gedistribueerde kwantumcomputer en een lange-afstands kwantumcommunicatienetwerk door kwantumsystemen te verbinden die kwetsbaar zijn voor een magnetisch veld, zoals supergeleidende qubits met op spin gebaseerde kwantumgeheugens. Vooruitkijkend heeft het onderzoeksteam plannen om de technologie een stap verder te brengen. "We willen een kwantuminterface ontwikkelen tussen supergeleidende en fotonische qubits om een ​​fouttolerante grootschalige kwantumcomputer te realiseren", zegt Kosaka. + Verder verkennen

Gebrekkige diamanten kunnen een perfecte interface zijn voor kwantumcomputers