Onderzoek uitgevoerd door natuurkundigen van Princeton University maakt de weg vrij voor het gebruik van op silicium gebaseerde technologieën in kwantumcomputers, vooral als kwantumbits - de basiseenheden van kwantumcomputers. Dit onderzoek belooft het gebruik van siliciumtechnologie te versnellen als een levensvatbaar alternatief voor andere kwantumcomputertechnologieën, zoals supergeleiders of ingesloten ionen.

In onderzoek gepubliceerd in het tijdschrift Science Advances , gebruikten natuurkundigen van Princeton een silicium-quantumapparaat van twee qubits om een ​​ongekend niveau van betrouwbaarheid te bereiken. Met meer dan 99 procent is dit de hoogste betrouwbaarheid die tot nu toe is bereikt voor een poort met twee qubits in een halfgeleider en vergelijkbaar met de beste resultaten van concurrerende technologieën. Fidelity, een maatstaf voor het vermogen van een qubit om foutloze bewerkingen uit te voeren, is een belangrijk kenmerk in de zoektocht naar praktische en efficiënte kwantumcomputers.

Onderzoekers over de hele wereld proberen erachter te komen welke technologieën, zoals supergeleidende qubits, ingesloten ionen of silicium-spinqubits, het beste kunnen worden gebruikt als de basiseenheden van kwantumcomputers. En, even belangrijk, onderzoekers onderzoeken welke technologieën het meest efficiënt kunnen worden opgeschaald voor commercieel gebruik.

"Silicium spin-qubits winnen aan kracht [in het veld]", zegt Adam Mills, een afgestudeerde student aan de afdeling Natuurkunde aan de Princeton University en de hoofdauteur van de onlangs gepubliceerde studie. "Het ziet eruit als een groot jaar voor silicium in het algemeen."

Door een siliciumapparaat te gebruiken dat een dubbele kwantumstip wordt genoemd, waren de Princeton-onderzoekers in staat om twee elektronen te vangen en ze tot interactie te dwingen. De spintoestand van elk elektron kan worden gebruikt als een qubit en de interactie tussen de elektronen kan deze qubits verstrengelen. Deze operatie is cruciaal voor kwantumberekening en het onderzoeksteam, geleid door Jason Petta, de Eugene Higgins hoogleraar natuurkunde aan Princeton, was in staat om deze verstrengeling uit te voeren met een betrouwbaarheidsniveau van meer dan 99,8 procent.

Een qubit is, in de eenvoudigste bewoordingen, een kwantumversie van een computerbit, de kleinste gegevenseenheid in een computer. Net als zijn klassieke tegenhanger is de qubit gecodeerd met informatie die de waarde één of nul kan hebben. Maar in tegenstelling tot de bit kan de qubit de concepten van de kwantummechanica benutten, zodat hij taken kan uitvoeren die klassieke bits niet kunnen.

"In een qubit kun je nullen en enen coderen, maar je kunt ook superposities van deze nullen en enen hebben", zegt Mills. Dit betekent dat elke qubit tegelijkertijd een nul en een één kan zijn. Dit concept, superpositie genaamd, is een fundamentele kwaliteit van de kwantummechanica en een die qubits in staat stelt operaties uit te voeren die verbazingwekkend en buitenaards lijken. Praktisch gezien geeft het de kwantumcomputer een groter voordeel ten opzichte van conventionele computers door bijvoorbeeld zeer grote getallen te ontbinden of de meest optimale oplossing voor een probleem te isoleren.

De "spin" in spin-qubits is het impulsmoment van het elektron. Het is een kwantumeigenschap die zich manifesteert als een kleine magnetische dipool die kan worden gebruikt om informatie te coderen. Een klassiek analoog is een kompasnaald, die noord- en zuidpolen heeft, en roteert om uit te lijnen met het magnetische veld van de aarde. Kwantummechanisch kan de spin van het elektron uitgelijnd zijn met het magnetische veld dat in het laboratorium wordt gegenereerd (spin-up), of antiparallel aan het veld zijn georiënteerd (spin-down), of zich in een kwantumsuperpositie bevinden van spin-up en spin-down. Spin is het eigendom van het elektron dat wordt gebruikt in op silicium gebaseerde kwantumapparaten; conventionele computers daarentegen werken door de negatieve lading van een elektron te manipuleren.

Mills beweerde dat silicium-spinqubits over het algemeen voordelen hebben ten opzichte van andere qubit-types. "Het idee is dat elk systeem zal moeten opschalen naar vele qubits," zei hij. "En op dit moment hebben de andere qubit-systemen echte fysieke beperkingen voor schaalbaarheid. Grootte kan een echt probleem zijn met deze systemen. Er is maar zoveel ruimte waar je deze dingen in kunt proppen."

Ter vergelijking:silicium-spinqubits zijn gemaakt van enkele elektronen en zijn extreem klein.

"Onze apparaten hebben een diameter van ongeveer 100 nanometer, terwijl een conventionele supergeleidende qubit ongeveer 300 micron breed is, dus als je er veel op een chip wilt maken, wordt het moeilijk om een ​​supergeleidende benadering te gebruiken," zei Petta.

Het andere voordeel van silicium-spinqubits, voegde Petta eraan toe, is dat conventionele elektronica tegenwoordig gebaseerd is op siliciumtechnologie. "Ons gevoel is dat als je echt een miljoen of tien miljoen qubits wilt maken die nodig zijn om iets praktisch te doen, dat alleen gaat gebeuren in een solid-state systeem dat kan worden geschaald met behulp van de standaard halfgeleiderfabricage-industrie. "

Toch was het een uitdaging voor onderzoekers om spin-qubits - net als andere soorten qubits - met een hoge betrouwbaarheid te gebruiken.

"Een van de knelpunten voor de technologie van spin-qubits is dat de gate-getrouwheid van twee qubits tot voor kort niet zo hoog was", zei Petta. "In de meeste experimenten was het ver onder de 90 procent."

Maar het was een uitdaging die volgens Petta en Mills en het onderzoeksteam kon worden bereikt.

Om het experiment uit te voeren, moesten de onderzoekers eerst een enkel elektron vangen - geen kleine taak.

"We vangen een enkel elektron op, een heel klein deeltje, en we moeten het in een specifiek gebied van de ruimte krijgen en het dan laten dansen", zei Petta.

Om dit te doen, moesten Mills, Petta en hun collega's een 'kooi' bouwen. Dit nam de vorm aan van een flinterdunne halfgeleider die voornamelijk van silicium was gemaakt. Aan de bovenkant hiervan heeft het team kleine elektroden gemodelleerd, die de elektrostatische potentiaal creëren die wordt gebruikt om het elektron te omringen. Twee van deze kooien bij elkaar, gescheiden door een barrière of poort, vormden de dubbele kwantumstip.

"We hebben twee spins op aangrenzende sites naast elkaar", zei Petta. "Door de spanning op deze poorten aan te passen, kunnen we de elektronen tijdelijk tegen elkaar drukken en ze laten interageren. Dit wordt een poort van twee qubits genoemd."

De interactie zorgt ervoor dat elke spin-qubit evolueert volgens de toestand van de aangrenzende spin-qubits, wat leidt tot verstrengeling in kwantumsystemen. De onderzoekers waren in staat om deze interactie van twee qubits uit te voeren met een betrouwbaarheid van meer dan 99 procent. Tot op heden is dit de hoogste betrouwbaarheid voor een poort met twee qubits die tot nu toe is bereikt in spin-qubits.

Petta zei dat de resultaten van dit experiment deze technologie - silicium spin-qubits - op gelijke voet plaatsen met de beste resultaten die worden bereikt door de andere belangrijke concurrerende technologieën. "Deze technologie bevindt zich op een sterk stijgende lijn," zei hij, "en ik denk dat het slechts een kwestie van tijd is voordat het de supergeleidende systemen inhaalt."

"Een ander belangrijk aspect van dit artikel," voegde Petta eraan toe, "is dat het niet alleen een demonstratie is van een high-fidelity twee-qubit-poort, maar dat dit apparaat het allemaal doet. Dit is de eerste demonstratie van een halfgeleider-spin-qubitsysteem waar we geïntegreerde prestaties van het hele systeem - de toestandsvoorbereiding, het uitlezen, de enkele qubit-besturing, de twee-qubit-besturing - allemaal met prestatiestatistieken die de drempel overschrijden die u nodig hebt om een ​​groter systeem te laten werken."

Naast Mills en Petta omvatte het werk ook de inspanningen van de Princeton-afgestudeerde studenten Charles Guinn en Mayer Feldman, evenals de assistent-professor elektrotechniek van de Universiteit van Pennsylvania, Anthony Sigillito. Michael Gullans, Department of Physics, Princeton University en het Centre for Quantum Information and Computer Science van NIST/University of Maryland, en Erik Nielsen van de Sandia National Laboratories, Albuquerque, New Mexico, droegen ook bij aan de paper en het onderzoek. + Verder verkennen

Er is een verstrengelde toestand van drie qubits gerealiseerd in een volledig controleerbare reeks spin-qubits in silicium