Een volledig RIKEN-team heeft het aantal op silicium gebaseerde spin-qubits verhoogd van twee naar drie, het benadrukken van het potentieel van spin-qubits voor het realiseren van multi-qubit-kwantumalgoritmen.

Quantumcomputers hebben het potentieel om conventionele computers in het stof te laten bij het uitvoeren van bepaalde soorten berekeningen. Ze zijn gebaseerd op kwantumbits, of qubits, het kwantumequivalent van de bits die conventionele computers gebruiken.

Hoewel minder volwassen dan sommige andere qubit-technologieën, kleine klodders silicium, bekend als siliciumkwantumdots, hebben verschillende eigenschappen die ze zeer aantrekkelijk maken voor het realiseren van qubits. Deze omvatten lange coherentietijden, high-fidelity elektrische controle, werking bij hoge temperaturen en een groot potentieel voor schaalbaarheid. Echter, om verschillende op silicium gebaseerde spin-qubits nuttig met elkaar te verbinden, het is cruciaal om meer dan twee qubits te kunnen verstrengelen, een prestatie die tot nu toe aan natuurkundigen was ontweken.

Seigo Tarucha en vijf collega's, allemaal in het RIKEN Center for Emergent Matter Science, hebben nu een array van drie qubits in silicium geïnitialiseerd en gemeten met hoge betrouwbaarheid (de waarschijnlijkheid dat een qubit zich in de verwachte staat bevindt). Ze combineerden ook de drie verstrengelde qubits in één apparaat.

Deze demonstratie is een eerste stap in de richting van uitbreiding van de mogelijkheden van kwantumsystemen op basis van spin-qubits. "Een bewerking met twee qubits is goed genoeg om fundamentele logische berekeningen uit te voeren, " legt Tarucha uit. "Maar een systeem van drie qubits is de minimale eenheid voor opschaling en implementatie van foutcorrectie."

Het apparaat van het team bestond uit een drievoudige kwantumstip op een silicium/silicium-germanium heterostructuur en wordt bestuurd door aluminium poorten. Elke kwantumstip kan één elektron bevatten, waarvan de spin-up en spin-down toestanden coderen voor een qubit. Een magneet op de chip genereert een magnetische veldgradiënt die de resonantiefrequenties van de drie qubits scheidt, zodat ze individueel kunnen worden aangepakt.

De onderzoekers verstrengelden eerst twee van de qubits door een poort van twee qubits te implementeren - een klein kwantumcircuit dat de bouwsteen vormt van kwantumcomputers. Vervolgens realiseerden ze verstrengeling van drie qubits door de derde qubit en de poort te combineren. De resulterende drie-qubit-status had een opmerkelijk hoge staatsgetrouwheid van 88%, en bevond zich in een verstrengelde staat die kon worden gebruikt voor foutcorrectie.

Deze demonstratie is slechts het begin van een ambitieus onderzoekstraject dat leidt tot een grootschalige kwantumcomputer. "We zijn van plan om primitieve foutcorrectie te demonstreren met behulp van het drie-qubit-apparaat en om apparaten met tien of meer qubits te fabriceren, ", zegt Tarucha. "We zijn dan van plan om 50 tot 100 qubits te ontwikkelen en geavanceerdere foutcorrectieprotocollen te implementeren, de weg vrijmaken voor een grootschalige kwantumcomputer binnen een decennium."