För att utföra beräkningar, kvantdatorer behöver qubits för att fungera som elementära byggstenar som bearbetar och lagrar information. Nu, fysiker har tagit fram en ny typ av qubit som kan växlas från ett stabilt viloläge till ett snabbt beräkningsläge. Konceptet skulle också tillåta ett stort antal qubits att kombineras till en kraftfull kvantdator, som forskare från universitetet i Basel och TU Eindhoven har rapporterat i tidskriften Naturens nanoteknik.

Jämfört med konventionella bitar, kvantbitar (qubits) är mycket ömtåligare och kan förlora sitt informationsinnehåll mycket snabbt. Utmaningen för kvantberäkning är därför att hålla de känsliga kvantbitarna stabila under en längre tidsperiod, samtidigt som man hittar sätt att utföra snabba kvantoperationer. Nu, fysiker från universitetet i Basel och TU Eindhoven har utvecklat en omkopplingsbar qubit som ska tillåta kvantdatorer att göra båda.

Den nya typen av qubit har ett stabilt men långsamt tillstånd som är lämpligt för att lagra kvantinformation. Dock, forskarna kunde också byta qubit till ett mycket snabbare men mindre stabilt manipulationsläge genom att applicera en elektrisk spänning. I detta tillstånd, qubits kan användas för att snabbt bearbeta information.

Selektiv koppling av individuella snurr

I deras experiment, forskarna skapade qubits i form av "hålsnurr". Dessa bildas när en elektron avsiktligt avlägsnas från en halvledare, och det resulterande hålet har ett spinn som kan anta två tillstånd, upp och ner – analogt med värdena 0 och 1 i klassiska bitar. I den nya typen av qubit, dessa snurr kan kopplas selektivt – via en foton, till exempel – till andra snurr genom att ställa in deras resonansfrekvenser.

Denna förmåga är avgörande, eftersom konstruktionen av en kraftfull kvantdator kräver förmågan att selektivt styra och koppla ihop många individuella qubits. Skalbarhet är särskilt nödvändig för att minska felfrekvensen i kvantberäkningar.

Ultrasnabb spin manipulation

Forskarna kunde också använda den elektriska omkopplaren för att manipulera spin-qubits med rekordhastighet. "Snurret kan vändas sammanhängande från upp till ner på så lite som en nanosekund, " säger projektledare professor Dominik Zumbühl från institutionen för fysik vid universitetet i Basel. "Det skulle tillåta upp till en miljard switchar per sekund. Spin qubit-tekniken närmar sig därför redan klockhastigheterna för dagens konventionella datorer."

För sina experiment, forskarna använde en halvledarnanotråd gjord av kisel och germanium. Producerad vid TU Eindhoven, tråden har en liten diameter på cirka 20 nanometer. Eftersom qubit därför också är extremt liten, det borde i princip vara möjligt att införliva miljoner eller till och med miljarder av dessa qubits på ett chip.