Under sin forskning för en ny uppsats om kvantberäkning, HongWen Jiang, en UCLA -professor i fysik, och Joshua Schoenfield, en doktorand i sitt labb, stötte på ett återkommande problem:De var så glada över de framsteg de gjorde att när de loggade in hemifrån till sitt UCLA -skrivbord - vilket endast tillåter en användare i taget - slog de två forskarna upprepade gånger bort från fjärranslutningen.

Anledningen till deras entusiasm:Jiang och hans team skapade ett sätt att mäta och kontrollera energiskillnaderna i elektrondalstater i kiselkvantpunkter, som är en nyckelkomponent i kvantberäkningsforskning. Tekniken kan föra kvantberäkningen ett steg närmare verkligheten.

"Det är så spännande, "sa Jiang, medlem i California NanoSystems Institute. "Vi ville inte vänta till nästa dag för att ta reda på resultatet."

Quantum computing kan möjliggöra kodning av mer komplex information på mycket mindre datorchips, och det lovar snabbare, säkrare problemlösning och kommunikation än dagens datorer tillåter.

I vanliga datorer, de grundläggande komponenterna är switchar som kallas bitar, som använder 0 och 1 för att indikera att de är av eller på. Byggstenarna för kvantdatorer, å andra sidan, är kvantbitar, eller qubits.

UCLA -forskarnas genombrott var att kunna mäta och kontrollera ett specifikt tillstånd av en kiselkvantpunkt, känd som en dalstat, en viktig egenskap hos qubits. Forskningen publicerades i Naturkommunikation .

"En individuell qubit kan existera i en komplex vågliknande blandning av tillståndet 0 och tillståndet 1 samtidigt, "sa Schoenfield, tidningens första författare. "Att lösa problem, qubits måste störa varandra som krusningar i en damm. Så det är viktigt att kontrollera alla aspekter av deras vågliknande natur. "

Kiselkvantprickar är små, elektriskt begränsade områden av kisel, bara tiotals nanometer över, som kan fånga elektroner. De studeras av Jiangs laboratorium - och av forskare runt om i världen - för deras möjliga användning i kvantberäkning eftersom de gör det möjligt för forskare att manipulera elektroners snurr och laddning.

Förutom elektronernas snurr och laddning, en annan av deras viktigaste egenskaper är deras "dalstat, "som anger var en elektron kommer att bosätta sig i det icke-platta energilandskapet i kisels kristallina struktur. Daltillståndet representerar en plats i elektronens momentum, i motsats till en faktisk fysisk plats.

Forskare har först nyligen insett att kontroll av dalstater är avgörande för kodning och analys av kiselbaserade qubits, eftersom även de minsta bristerna i en kiselkristall kan förändra dalenergier på oförutsägbara sätt.

"Tänk dig att stå på toppen av ett berg och titta ner till vänster och höger, märker att dalarna på vardera sidan verkar vara desamma men vet att den ena dalen bara var 1 centimeter djupare än den andra, "sa Blake Freeman, en UCLA-doktorand och medförfattare till studien. "I kvantfysik, även den lilla skillnaden är extremt viktig för vår förmåga att styra elektronernas snurr- och laddningstillstånd. "

Vid normala temperaturer, elektroner studsar runt, vilket gör det svårt för dem att vila i den lägsta energipunkten i dalen. Så för att mäta den lilla energiskillnaden mellan två dalstater, UCLA -forskarna placerade kvantprickar av kisel i en kylkammare vid en temperatur nära absolut noll, vilket gjorde att elektronerna kunde slå sig ner. Genom att skjuta snabba elektriska pulser av spänning genom dem, forskarna kunde flytta enstaka elektroner in och ut ur dalarna. Den lilla skillnaden i energi mellan dalarna bestämdes genom att observera hastigheten på elektronens snabba växling mellan dalstater.

Efter att ha manipulerat elektronerna, forskarna drev en nanotrådssensor mycket nära elektronerna. Genom att mäta trådens motstånd kunde de mäta avståndet mellan en elektron och tråden, vilket i sin tur gjorde det möjligt för dem att avgöra vilken dal elektronen upptog.

Tekniken gjorde det också möjligt för forskarna, för första gången, att mäta den extremt små energiskillnaden mellan de två dalarna - vilket hade varit omöjligt med någon annan befintlig metod.

I framtiden, forskarna hoppas kunna använda mer sofistikerade spänningspulser och enhetsdesigner för att uppnå full kontroll över flera interagerande dalbaserade qubits.

"Drömmen är att ha en rad hundratals eller tusentals qubits som alla arbetar tillsammans för att lösa ett svårt problem, "Schoenfield sa." Detta arbete är ett viktigt steg mot att förverkliga den drömmen. "