Filip Malinowski pekar på ett chip som liknar det som NBI-forskarna använde i sina experiment för att sätta qubits i backen. Kredit:Ola Jakup Joensen
En grupp forskare vid Niels Bohr Institute (NBI), Köpenhamns universitet, har kommit på hur man får spinn-qubits att utföra kontrollerade bakåtrotationer. Detta har aldrig visats tidigare – och tidningen Fysiska granskningsbrev , där forskningen just har publicerats, lyfter fram den innovativa upptäckten i kategorin "Redaktörens förslag."
"Jag antar att man kan säga att vi har listat ut hur man kör qubits i både framåt- och backväxeln - under vissa omständigheter, " säger Ph.D. Filip Malinowski, Center for Quantum Devices (QDev) vid Niels Bohr Institute.
Malinowski och QDev-kollegan Frederico Martins – som nu är vid University of New South Wales, Australien – ledde det "omvända projektet" som också inkluderade forskare från Purdue University, USA. De amerikanska forskarnas roll involverade produktionen av extremt rena halvledarkristaller, som NBI-teamet behövde som en grund att bygga på när de satte ihop den specifika "miljön" som behövdes för att tvinga qubits i omvänd riktning.
NBI-upptäckten bör ses i samband med kvantdatorer, de nya och kraftfulla nästa generations superdatorer som forskare över hela världen – QDev är inget undantag – strävar efter att utvecklas genom olika projekt.
För att bygga en kvantdator behöver du qubits – och qubits skiljer sig från binära bitar som är ryggraden i moderna datorer. Binära bitar kan anta värdena 0 eller 1 och fungerar därför – i princip – som switchar:de är antingen på, "eller så är de av."
Som klassiska bitar, qubits kan anta värdena 0 och 1. Men:qubits kan också vara i ett tillstånd som representerar 0 och 1 samtidigt, en så kallad superposition.
"Vi kodar qubits i den riktning som elektronspinnet pekar - och bearbetar kvantinformation genom att rotera snurr runt olika axlar. Teoretiskt, rotationer framåt och bakåt ger olika superpositionstillstånd, men experimentellt var endast framåtrotationer möjliga upp nu, säger Frederico Martins.
Snabbhet och precision
Det faktum att qubits kan vara i ett superpositionstillstånd är vad som kommer att göra det möjligt för en kvantdator – när den väl har utvecklats – att samtidigt utföra ett verkligt stort antal olika beräkningar.
För att kunna utföra qubit-forskning måste man arbeta vid mycket låga temperaturer – i närheten av absoluta nollpunkten (-273,15 C) – anledningen till det är att dessa förhållanden skyddar qubitarna från olika störningar som kan påverka deras prestandanivå, t.ex. ljud.
"Våra experiment utfördes vid bara 0,02 C över absolut noll. Vi kunde skapa denna mycket låga temperatur tack vare specialutrustning i QDev-labbet – en version av en kryostat, ett så kallat utspädningskylskåp, " förklarar Filip Malinowski:
Den svarta fyrkanten – som mäter ungefär 3x3 millimeter – är ett halvledarchip som liknar det som NBI-forskaren använde i sina experiment. Chipet sitter på ett kretskort. Kredit: Filip Malinowski
"Och när en kvantdator så småningom utvecklas, den kommer med största sannolikhet också att innehålla någon version av en kryostat."
Bilanalogin
Vilka är de möjliga praktiska implikationerna av det faktum att du nu kan tvinga qubits i omvänd riktning – vilket NBI-forskarna har visat?
För det första gör det det möjligt att utföra snabbare beräkningar av en given mängd data än vad som kan göras med hjälp av qubits utrustade med bara en – framåt – växel.
Men det är också möjligt att välja precision framför hastighet genom att låta 'omvända qubits' arbeta i måttlig takt i en – framtida – kvantdator. I så fall blir fördelen beräkningar av ökad precision, säger till Filip Malinowski:"Och som en konsekvens kommer du att kunna undvika många fel som skulle behöva korrigeras genom ytterligare beräkningar."
För att förstå hur mycket lättare det plötsligt blir att styra qubits när de väl har försetts med en backväxel, en analogi som involverar en bil kommer väl till pass, säger docent Ferdinand Kuemmeth, chef för QDev-teamet bakom upptäckten:
"Föreställ dig att du kör en bil längs en fullsatt gata – gatan där du bor – och du vill parkera den precis framför din dörr. Detta kan vara en skrämmande uppgift, speciellt om det är många bilar – (buller, när vi pratar qubits) – runt dig. Och tänk dig nu att du gör det här utan backväxel:Om du överskjuter något, du missade din chans, och det är svårt att komma på en lösning. Detsamma gäller med roterande qubits:Om man överskrider något – vilket ofta händer på grund av den bullriga miljön – fanns det inget sätt att rotera tillbaka qubiten – förrän nu!"
En byggprocess
Den omvända funktionen i qubits har demonstrerats i ett experiment som involverar en kvant-"miljö" som NBI-forskarna byggde ovanpå en skräddarsydd kristall - en sandwichliknande struktur levererad av Purdue University, gjorda av ett material med utomordentligt jämn fördelning av elektroner.
I basen av "miljön" finns kristallstrukturen – som NBI-forskarna täckt med en polymer.
Nästa steg var att "rita" ett mönster av spår i polymerskiktet, med hjälp av en elektronstråle.
Med framåtväxeln kan endast alla misstag korrigeras, men till betydande kostnader - som att köra en bil runt kvarteret för att försöka igen. Å andra sidan med en backväxel kan man helt enkelt göra finjusteringar genom att köra lite fram och tillbaka. I NBI-forskarnas arbete indikerar framåtväxeln att två parallella elektronsnurr har högre energi än elektronsnurr som pekar i motsatta riktningar. Samtidigt på backväxeln har parallellspinnkonfigurationen lägre energi. Vanligtvis har de två snurr som är instängda i det lilla utrymmet låg energi om de pekar i motsatt riktning. Det beror på att de kan uppta den lägsta orbitalen - som två elektroner i en heliumatom. Samtidigt förbjuder Pauli-uteslutningsprincipen två elektroner att ockupera samma orbital om deras spinn är densamma. Detta tvingar den andra elektronen att ockupera en annan orbital, öka sin energi. Dock, situationen förändras när de två snurren flyter i en pool av många andra "neutraliserade" elektroner. Sedan förbjuder Pauli-uteslutningsprincipen att elektronerna med spinn som pekar i samma riktning flyter nära varandra. Därför stöter två negativt laddade elektroner med parallella spinn bort varandra svagare, än om deras snurr var motsatta. Allt som allt, svagare repulsion minskar energin i parallell spin-konfiguration. I allmänhet existerar dessa två effekter och konkurrerar. NBI-forskaren visade att det är möjligt att växla mellan konfigurationer där den förra eller den senare effekten dominerar. Kredit:Niels Bohr Institutet
Sedan spolades den – nu försvagade – polymeren bort från det angivna mönstret – genom att öppna spåren, som diken.
Slutligen fylldes spåren på toppen av kristallen med en metall för att bilda elektroder, varav den minsta mätte bara 20 nanometer – och genom att applicera olika spänningar på dessa elektroder är det möjligt att stöta bort eller attrahera elektroner, slutligen placera individuella elektroner i specifika positioner.
NBI-forskarna använde ett sådant chip för att noggrant kontrollera den så kallade utbytesinteraktionen – en fundamental interaktion mellan elektroner som kan användas för att tvinga qubits i omvänd riktning – och hur detta görs förklaras mer i detalj i nyhetsgrafiken.
Center for Quantum Devices, QDev – labbet där forskningen ägde rum. Foto:Ola Jakup Joensen
Den förtätade förklaringen kretsar kring det faktum att när två elektroner snurrar – en pekar uppåt, den andra nedåt – placeras i samma begränsade utrymme, de börjar rotera tillsammans, säger Filip Malinowski:
"I det här fallet är dessa elektroner qubits - och om vi återgår till bilanalogin, de kommer att börja rotera eller röra sig framåt. Hittills har antagandet varit att detta verkligen var den enda riktningen i vilken de möjligen kunde röra sig - det är där vår upptäckt kommer in."
Den omvända funktionen blir verklighet när två motsatt pekande elektronsnurr – qubits – placeras i en begränsad miljö tillsammans med en massa andra elektronpar.
Nu – fortfarande vid mycket låga temperaturer – blir det plötsligt möjligt att tvinga qubits bakåt.
Galliumarsenid – materialet som den USA-tillverkade kristallen är gjord av – spelar en framträdande roll i NBI-experimentet, men tekniken kommer förmodligen att fungera lika bra med ett antal andra halvledare, säger Filip Malinowski:
"Särskilt kisel, vilket är viktigt för de chips som finns i vår nuvarande generations processorer – men kisel kan också användas som byggmaterial för kvantdatorer."
