Toekomstige kwantumcomputers zouden gebaseerd kunnen zijn op elektronen die boven vloeibaar helium zweven, zo blijkt uit onderzoek van een RIKEN-fysicus en medewerkers, gepubliceerd in Physical Review Applied .

De computers van vandaag zijn gebaseerd op het heen en weer bewegen van elektronen in silicium. Elektronen in silicium zouden ook de basis kunnen vormen van een heel ander soort computers:kwantumcomputers. Er zijn talloze inspanningen gaande om kwantumcomputers te realiseren die gebruik maken van elektronen in verschillende vaste-stofkristallen, te beginnen met silicium.

Door gebruik te maken van de kwantumaard van kleine objecten beloven kwantumcomputers een revolutie teweeg te brengen in de computerwereld door hardnekkige problemen op te lossen met behulp van de krachtigste supercomputers die momenteel beschikbaar zijn.

Hoewel pogingen om qubits te maken met behulp van elektronen in vaste-stofkristallen aanzienlijk succes hebben opgeleverd, is het vergroten van het aantal qubits (het kwantum-equivalent van bits) een uitdaging omdat defecten en onzuiverheden in vaste-stofkristallen onvoorspelbare elektrische potentiëlen creëren, waardoor het moeilijk wordt om qubits te produceren. veel uniforme qubits.

Eén manier om dit probleem te overwinnen zou zijn om elektronen die in een vacuüm zweven als qubits te gebruiken, omdat vacuüm geen defecten vertoont.

‘Vastestofkristallen zullen altijd enkele gebreken vertonen, wat betekent dat we geen perfecte omgeving voor elektronen kunnen creëren’, zegt Erika Kawakami van het RIKEN Center for Quantum Computing. "Dat is problematisch als we veel uniforme qubits willen maken. En dus is het beter om qubits in vacuüm te hebben."

In 1999 stelden onderzoekers voor het eerst theoretisch voor om qubits te realiseren op basis van elektronen die op vloeibaar helium drijven. In dit fysieke systeem zweven elektronen in vacuüm iets boven het oppervlak van vloeibaar helium. Dit was een baanbrekend voorstel, maar het bleef beperkt tot de basisbewerkingen van kwantumpoorten, omdat onderzoek naar kwantumcomputers nog in de kinderschoenen stond.

Nu heeft het team in een theoretisch onderzoek laten zien hoe de kwantumpoorten concreter kunnen worden gerealiseerd met behulp van elektronen die boven vloeibaar helium zweven.

Centraal in hun voorstel staat een hybride qubit die de verticaal gekwantiseerde ladingstoestand en de spintoestand van een zwevend elektron omvat. Dankzij de ladingstoestand van het elektron kan het gemakkelijk over middelmatige afstanden worden gemanipuleerd met behulp van een elektrisch veld, terwijl de spintoestand kan worden gebruikt om gegevens stabiel op te slaan. De interactie tussen de spin- en ladingstoestanden van het elektron maakt het mogelijk gegevens over te dragen tussen de twee elektroneneigenschappen.

"We hebben voorgesteld hoe we poorten van één en twee qubits kunnen realiseren met behulp van elektronen op helium en hebben hun betrouwbaarheid geschat", zegt Kawakami. "We hebben ook aangegeven hoe we het aantal qubits kunnen opschalen. Dat is iets nieuws."

Hun systeem maakt gebruik van een reeks kleine ferromagnetische pilaren om elektronen boven helium op te vangen. Het zou mogelijk moeten zijn om meer dan 10 miljoen qubits in een gebied ter grootte van een postzegel te persen.

Het team is nu van plan de uitdaging aan te gaan om hun voorstel experimenteel te implementeren.

Meer informatie: Erika Kawakami et al, Blauwdruk voor kwantumcomputers met behulp van elektronen op helium, Physical Review Applied (2023). DOI:10.1103/PhysRevApplied.20.054022. Op arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2303.03688

Journaalinformatie: Fysieke beoordeling toegepast , arXiv

Aangeboden door RIKEN