Een internationale samenwerking onder leiding van wetenschappers van het Niels Bohr Instituut (NBI), Universiteit van Kopenhagen, heeft een alternatieve aanpak aangetoond. Hun methode maakt het mogelijk om ruis te gebruiken om kwantuminformatie te verwerken. Als gevolg hiervan worden de prestaties van de fundamentele kwantumcomputereenheid van informatie, de qubit, met 700% verhoogd.

Deze resultaten zijn gepubliceerd in het tijdschrift Nature Communications .

‘Het vermijden van ruis in kwantumsystemen is moeilijk gebleken, omdat bijna elke verandering in de omgeving de boel kan bederven. Je systeem kan bijvoorbeeld werken op een bepaald magnetisch of elektrisch veld, en als dat veld maar een klein beetje verandert, vallen de kwantumeffecten uiteen.

"Wij stellen een compleet andere aanpak voor. In plaats van het wegwerken van lawaai, gebruiken we continue realtime geluidsbewaking en passen we het systeem aan als er veranderingen in de omgeving optreden", zegt Ph.D. Onderzoeker bij NBI Fabrizio Berritta, hoofdauteur van het onderzoek.

De nieuwe aanpak is mogelijk dankzij recente ontwikkelingen op verschillende hightech-gebieden.

“Vroeger, zeg twintig jaar geleden, zou het mogelijk zijn geweest om de fluctuaties na het experiment te visualiseren, maar het zou te traag zijn geweest om deze informatie tijdens het daadwerkelijke experiment te gebruiken. We gebruiken FPGA-technologie (field-programable-gate-array) om de metingen in realtime te verkrijgen. En verder gebruiken we machine learning om de analyse te versnellen", legt Berritta uit.

"Het hele idee is om de metingen te doen en de analyse uit te voeren in dezelfde microprocessor die het systeem in realtime aanpast. Anders zou het schema niet snel genoeg zijn voor kwantumcomputertoepassingen."

Kwantumeigenschappen voegen waarde toe

Bij het huidige computergebruik is de basiseenheid van overdraagbare informatie, bekend als de bit, gekoppeld aan de lading van elektronen. Het kan slechts één van de twee waarden hebben, één of nul:er zijn elektronen of die zijn er niet. De overeenkomstige kwantumcomputereenheid, bekend als de qubit, zal meer dan twee waarden kunnen aannemen.

De hoeveelheid informatie per qubit zal exponentieel toenemen met het aantal kwantumeigenschappen dat men kan controleren, wat misschien zal resulteren in computers die op een dag verbluffend krachtiger zullen zijn dan conventionele computers.

Een hoeksteen van de kwantummechanica is dat de elementaire deeltjes niet alleen een massa en een lading hebben, maar ook een spin. Een ander sleutelbegrip is verstrengeling. Hier interageren twee of meer deeltjes op een zodanige manier dat de kwantumtoestand van een enkel deeltje niet onafhankelijk van de toestand van de andere(n) kan worden beschreven.

Het protocol achter de nieuwe bevindingen integreert een singlet-triplet spin-qubit geïmplementeerd in een galliumarsenide dubbele quantum dot met FPGA-aangedreven qubit-controllers. Bij de qubit zijn twee elektronen betrokken, waarbij de toestanden van beide elektronen met elkaar verstrengeld zijn.

Interdisciplinaire teaminspanning

Net als andere spin-qubits is de singlet-triplet-qubit kwetsbaar voor zelfs kleine verstoringen in hun omgeving. De natuurkundigen gebruiken de term 'ruis', die niet letterlijk als akoestisch geluid moet worden opgevat. Met betrekking tot kwantumsystemen kunnen verstoringen zoals fluctuaties in het elektrische of magnetische veld de betreffende kwantumtoestand(en) bederven.

Om het gunstige gebruik van omgevingsfluctuaties aan te tonen, kozen de onderzoekers voor deze qubit omdat de koppeling ervan aan zowel magnetische ruis als elektrische ruis goed wordt begrepen uit een reeks eerdere onderzoeken bij het NBI, geleid door professor Ferdinand Kuemmeth, hoofd van een onderzoeksgroep op het gebied van halfgeleiders en supergeleiding. kwantumapparaten bij NBI.

De nieuwe studie bracht onderzoeksgroepen van NBI, Purdue University, Norwegian University of Science and Technology, bedrijven QDevil (Kopenhagen) en Quantum Machines (Tel Aviv) samen op een reeks gebieden, zoals qubit-materialen, qubit-fabricage, qubit-controlehardware, kwantuminformatietheorie en machinaal leren.

"Deze samenwerking illustreert dat de ontwikkeling van kwantumcomputers niet langer een activiteit is die kan worden aangestuurd door individuele natuurkundegroepen. Haal een van onze partners weg, en dit werk zou niet mogelijk zijn geweest", zegt Kuemmeth.

Een betere aanpak van lawaai

De onderzoekers zien het nieuwe protocol als een mijlpaal in de ontwikkeling van quantumcomputers, maar realiseren zich ook dat er nog veel meer mijlpalen moeten worden bereikt.

"De volgende stap voor ons zal zijn om ons protocol toe te passen op systemen van verschillende materialen en met meer dan één qubit", zegt Berritta. "Ik kan niet zeggen wanneer we de eerste echt bruikbare kwantumcomputer zullen zien. Misschien over tien jaar.

“Wij denken in ieder geval met een veelbelovende aanpak te zijn gekomen. Veel collega’s richten zich op het wegwerken van ruis om betere qubits te ontwikkelen, bijvoorbeeld door de kwaliteit te verbeteren van de materialen waarmee de qubits zijn gemaakt. Dat hebben we onder bepaalde omstandigheden aangetoond omstandigheden die je actief kunt aanpassen voor een deel van de ruis. Dit kan relevant zijn voor andere typen qubits dan het type in ons onderzoek."

Meer informatie: Fabrizio Berritta et al, Realtime tweeassige besturing van een spinqubit, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-45857-0

Aangeboden door het Niels Bohr Instituut