Wetenschap
De afstembare koppeling van twee op afstand gelegen supergeleidende spinqubits
Kwantumcomputers, computerapparatuur die gebruik maakt van de principes van de kwantummechanica, zouden beter kunnen presteren dan klassieke computers bij sommige complexe optimalisatie- en verwerkingstaken. In kwantumcomputers worden klassieke informatie-eenheden (bits), die een waarde van 1 of 0 kunnen hebben, vervangen door kwantumbits of qubits, die tegelijkertijd een combinatie van 0 en 1 kunnen hebben.
Qubits zijn tot nu toe gerealiseerd met behulp van verschillende fysieke systemen, variërend van elektronen tot fotonen en ionen. De afgelopen jaren hebben sommige kwantumfysici geëxperimenteerd met een nieuw soort qubits, bekend als Andreev-spinqubits. Deze qubits maken gebruik van de eigenschappen van supergeleidende en halfgeleidermaterialen om kwantuminformatie op te slaan en te manipuleren.
Een team van onderzoekers aan de Technische Universiteit Delft, onder leiding van Marta Pita-Vidal en Jaap J. Wesdorp, heeft onlangs de sterke en afstembare koppeling aangetoond tussen twee verre Andreev-spinqubits. Hun artikel, gepubliceerd in Nature Physics , zou de weg kunnen vrijmaken voor de effectieve realisatie van twee-qubit-poorten tussen verre spins.
"Het recente werk is in wezen een voortzetting van ons werk dat vorig jaar werd gepubliceerd in Nature Physics ", vertelde Christian Kraglund Andersen, corresponderende auteur van het artikel, aan Phys.org. "In dit eerdere werk bestudeerden we een nieuw type qubit, een Andreev-spinqubit genaamd, die ook eerder werd aangetoond door onderzoekers van Yale."
Andreev-spinqubits maken tegelijkertijd gebruik van de voordelige eigenschappen van zowel supergeleidende als halfgeleiderqubits. Deze qubits worden in essentie gecreëerd door een kwantumdot in een supergeleidende qubit in te bedden.
"Nu de nieuwe qubit was gevestigd, was de logische volgende vraag of we er twee konden koppelen", zei Andersen. "Een theoretisch artikel gepubliceerd in 2010 suggereerde een methode om twee van dergelijke qubits te koppelen, en ons experiment is het eerste experiment dat dit voorstel in de echte wereld realiseert."
Als onderdeel van hun onderzoek fabriceerden Andersen en zijn collega's eerst een supergeleidend circuit. Vervolgens plaatsten ze met een nauwkeurig gestuurde naald twee halfgeleider nanodraden bovenop dit circuit.
"Door de manier waarop we het circuit hebben ontworpen, creëerden de gecombineerde nanodraden en supergeleidende circuits twee supergeleidende lussen", legt Andersen uit. “Het bijzondere aan deze lussen is dat een deel van elke lus een halfgeleider-kwantumdot is. In de kwantumdot kunnen we een elektron vangen. Het leuke is dat de stroom die door de lussen vloeit nu afhangt van de spin van het gevangen elektron Dit effect is interessant, omdat het ons in staat stelt een superstroom van miljarden Cooper-paren met één enkele draai te controleren."
De gecombineerde stroom van de twee gekoppelde supergeleidende lussen die de onderzoekers realiseren, hangt uiteindelijk af van de spin in beide kwantumdots. Dit betekent ook dat de twee spins via deze superstroom zijn gekoppeld. Deze koppeling kan met name ook eenvoudig worden geregeld, hetzij via het magnetische veld dat door de lussen loopt, hetzij door de poortspanning te moduleren.
"We hebben aangetoond dat we spins over 'lange' afstanden echt kunnen koppelen met behulp van een supergeleider," zei Andersen. "Normaal gesproken vindt spin-spin-koppeling alleen plaats als twee elektronen heel dichtbij zijn. Wanneer je qubit-platforms op basis van halfgeleiders vergelijkt met die op basis van supergeleidende qubits, is deze eis van nabijheid een van de architectonische nadelen van halfgeleiders."
Het is bekend dat supergeleidende qubits omvangrijk zijn en daardoor veel ruimte in beslag nemen in een apparaat. De nieuwe aanpak geïntroduceerd door Andersen en zijn collega's maakt een grotere flexibiliteit mogelijk bij het ontwerp van kwantumcomputers, door het koppelen van qubits over lange afstanden en het dichter bij elkaar plaatsen ervan mogelijk te maken.
Deze recente studie zou binnenkort nieuwe mogelijkheden kunnen openen voor de ontwikkeling van hoogpresterende kwantumcomputerapparatuur. In hun volgende studies zijn de onderzoekers van plan hun voorgestelde aanpak uit te breiden naar een groter aantal qubits.
"We hebben zeer goede redenen om te denken dat onze aanpak aanzienlijke architectonische vooruitgang zou kunnen bieden voor de koppeling van meerdere spin-qubits", voegde Andersen eraan toe. "Er zijn echter ook experimentele uitdagingen. De huidige coherentietijden zijn niet erg goed, en we verwachten dat het nucleaire spinbad van de halfgeleider die we gebruikten (InAs) de schuldige is. We willen dus graag overstappen naar een schoner platform , bijvoorbeeld op basis van germanium, om de coherentietijden te vergroten."