Wetenschap
Experiment opent deur voor miljoenen qubits op één chip
Onderzoekers van de Universiteit van Basel en de NCCR SPIN hebben de eerste bestuurbare interactie tussen twee gaten-spinqubits in een conventionele siliciumtransistor bereikt. De doorbraak opent de mogelijkheid om miljoenen van deze qubits op één chip te integreren met behulp van volwassen productieprocessen.
De race om een praktische kwantumcomputer te bouwen is in volle gang. Onderzoekers over de hele wereld werken aan een grote verscheidenheid aan qubit-technologieën. Tot nu toe bestaat er geen consensus over welk type qubit het meest geschikt is om het potentieel van de kwantuminformatiewetenschap te maximaliseren.
Qubits vormen de basis van een kwantumcomputer:ze zorgen voor de verwerking, overdracht en opslag van data. Om correct te kunnen werken, moeten ze informatie zowel betrouwbaar opslaan als snel verwerken. De basis voor snelle informatieverwerking zijn stabiele en snelle interacties tussen een groot aantal qubits waarvan de toestanden betrouwbaar van buitenaf kunnen worden gecontroleerd.
Om een kwantumcomputer praktisch te maken, moeten miljoenen qubits op één chip worden ondergebracht. De meest geavanceerde kwantumcomputers van vandaag hebben slechts een paar honderd qubits, wat betekent dat ze alleen berekeningen kunnen uitvoeren die al mogelijk (en vaak efficiënter) zijn op conventionele computers..
Elektronen en gaten
Om het probleem van het ordenen en koppelen van duizenden qubits op te lossen, vertrouwen onderzoekers van de Universiteit van Basel en de NCCR SPIN op een type qubit dat gebruik maakt van de spin (intrinsiek impulsmoment) van een elektron of een gat. Een gat is in wezen een ontbrekend elektron in een halfgeleider.
Zowel gaten als elektronen bezitten spin, die een van twee toestanden kan aannemen:omhoog of omlaag, analoog aan 0 en 1 in klassieke bits. Vergeleken met een elektronenspin heeft een gatenspin het voordeel dat deze volledig elektrisch kan worden aangestuurd zonder dat er extra componenten zoals micromagneten op de chip nodig zijn.
Al in 2022 konden natuurkundigen uit Bazel aantonen dat de gaten in een bestaand elektronisch apparaat kunnen worden opgevangen en als qubits kunnen worden gebruikt. Deze "FinFET's" (fin field-effect transistors) zijn ingebouwd in moderne smartphones en worden geproduceerd in wijdverbreide industriële processen. Nu is een team onder leiding van Dr. Andreas Kuhlmann er voor het eerst in geslaagd om binnen deze opstelling een controleerbare interactie tussen twee qubits te realiseren.
Snelle en nauwkeurig gecontroleerde spin-flip
Een kwantumcomputer heeft ‘kwantumpoorten’ nodig om berekeningen uit te voeren. Deze vertegenwoordigen bewerkingen die de qubits manipuleren en aan elkaar koppelen. Dat melden de onderzoekers in het tijdschrift Nature Physics , waren ze in staat twee qubits te koppelen en een gecontroleerde draai van een van hun spins te bewerkstelligen, afhankelijk van de staat van de spin van de ander, ook wel een gecontroleerde spin-flip genoemd.
"Met hole-spins kunnen we twee-qubit-poorten maken die zowel snel als high-fidelity zijn. Dit principe maakt het nu ook mogelijk om een groter aantal qubit-paren te koppelen", zegt Kuhlmann.
De koppeling van twee spinqubits is gebaseerd op hun uitwisselingsinteractie, die plaatsvindt tussen twee niet van elkaar te onderscheiden deeltjes die elektrostatisch met elkaar interageren. Verrassend genoeg is de uitwisselingsenergie van gaten niet alleen elektrisch regelbaar, maar ook sterk anisotroop. Dit is een gevolg van de spin-baankoppeling, wat betekent dat de spintoestand van een gat wordt beïnvloed door zijn beweging door de ruimte.
Om deze waarneming in een model te beschrijven, hebben experimentele en theoretische natuurkundigen van de Universiteit van Bazel en de NCCR SPIN hun krachten gebundeld. "De anisotropie maakt poorten van twee qubits mogelijk zonder de gebruikelijke afweging tussen snelheid en betrouwbaarheid", zegt Dr. Kuhlmann.
"Qubits op basis van gatenspins maken niet alleen gebruik van de beproefde fabricage van siliciumchips, ze zijn ook zeer schaalbaar en hebben bewezen snel en robuust te zijn in experimenten." De studie onderstreept dat deze aanpak een grote kans heeft in de race om een grootschalige kwantumcomputer te ontwikkelen.