I ett stort steg mot att göra en kvantdator med vardagliga material, ett team ledd av forskare vid Princeton University har konstruerat en nyckelbit av kiselhårdvara som kan kontrollera kvantbeteendet mellan två elektroner med extremt hög precision. Studien publicerades den 7 december i tidskriften Vetenskap .

Teamet konstruerade en grind som kontrollerar interaktioner mellan elektronerna på ett sätt som låter dem fungera som kvantbitar av information, eller qubits, nödvändig för kvantberäkning. Demonstrationen av denna nästan felfria, två-qubit-grind är ett viktigt tidigt steg i att bygga en mer komplex kvantberäkningsenhet från kisel, samma material som används i konventionella datorer och smartphones.

"Vi visste att vi behövde få det här experimentet att fungera om kiselbaserad teknik skulle ha en framtid när det gäller att skala upp och bygga en kvantdator, sa Jason Petta, professor i fysik vid Princeton University. "Skapandet av denna högtrogna två-qubit-grind öppnar dörren till experiment i större skala."

Kiselbaserade enheter kommer sannolikt att vara billigare och lättare att tillverka än andra tekniker för att skapa en kvantdator. Även om andra forskargrupper och företag har tillkännagett kvantenheter som innehåller 50 eller fler qubits, dessa system kräver exotiska material som supraledare eller laddade atomer som hålls på plats av lasrar.

Kvantdatorer kan lösa problem som är otillgängliga med konventionella datorer. Enheterna kanske kan faktorisera extremt stora antal eller hitta de optimala lösningarna för komplexa problem. De kan också hjälpa forskare att förstå de fysikaliska egenskaperna hos extremt små partiklar som atomer och molekyler, leder till framsteg inom områden som materialvetenskap och läkemedelsupptäckt.

Att bygga en kvantdator kräver att forskare skapar qubits och kopplar dem till varandra med hög trohet. Kiselbaserade kvantenheter använder en kvantegenskap hos elektroner som kallas "spin" för att koda information. Spinnet kan peka antingen uppåt eller nedåt på ett sätt som är analogt med en magnets nord- och sydpol. I kontrast, konventionella datorer fungerar genom att manipulera elektronens negativa laddning.

Att uppnå en hög prestanda, Spin-baserade kvantanordningar har hindrats av bräckligheten hos spinntillstånd - de vänder lätt från upp till ner eller vice versa om de inte kan isoleras i en mycket ren miljö. Genom att bygga kiselkvantenheterna i Princetons Quantum Device Nanofabrication Laboratory, forskarna kunde hålla snurrorna sammanhängande – det vill säga, i sina kvanttillstånd — under relativt långa tidsperioder.

För att konstruera två-qubit-grinden, forskarna lade upp små aluminiumtrådar på en välordnad kiselkristall. Ledningarna levererar spänningar som fångar två enstaka elektroner, åtskilda av en energibarriär, i en välliknande struktur som kallas en dubbel kvantprick.

Genom att tillfälligt sänka energibarriären, forskarna låter elektronerna dela kvantinformation, skapa ett speciellt kvanttillstånd som kallas intrassling. Dessa fångade och intrasslade elektroner är nu redo att användas som qubits, som är som vanliga datorbitar men med superkrafter:medan en konventionell bit kan representera en nolla eller en 1, varje qubit kan samtidigt vara en nolla och en 1, avsevärt utöka antalet möjliga permutationer som kan jämföras omedelbart.

"Utmaningen är att det är väldigt svårt att bygga konstgjorda strukturer som är tillräckligt små för att fånga och kontrollera enskilda elektroner utan att förstöra deras långa lagringstider, sa David Zajac, en doktorand i fysik vid Princeton och förstaförfattare på studien. "Detta är den första demonstrationen av intrassling mellan två elektronsnurr i kisel, ett material känt för att tillhandahålla en av de renaste miljöerna för elektronspintillstånd."

Forskarna visade att de kan använda den första qubiten för att kontrollera den andra qubiten, vilket betyder att strukturen fungerade som en kontrollerad NOT (CNOT)-grind, som är kvantversionen av en vanlig datorkretskomponent. Forskarna kontrollerar beteendet hos den första qubiten genom att applicera ett magnetfält. Grinden producerar ett resultat baserat på tillståndet för den första qubiten:Om det första snurret pekar uppåt, då kommer den andra qubitens snurr att vända, men om det första snurret är nere, den andra kommer inte att vända.

"Grinden säger i princip att den bara kommer att göra något med en partikel om den andra partikeln är i en viss konfiguration, "Sa Petta. "Vad som händer med en partikel beror på den andra partikeln."

Forskarna visade att de kan bibehålla elektronsnurrarna i sina kvanttillstånd med en trohet som överstiger 99 procent och att grinden fungerar tillförlitligt för att vända spinn av den andra kvantbiten cirka 75 procent av tiden. Tekniken har potential att skala till fler qubits med ännu lägre felfrekvens, enligt forskarna.

"Detta arbete sticker ut i ett världsomspännande lopp för att demonstrera CNOT-porten, en grundläggande byggsten för kvantberäkning, i kiselbaserade qubits, sa HongWen Jiang, professor i fysik och astronomi vid University of California-Los Angeles. "Felfrekvensen för två-qubit-operationen är otvetydigt benchmarkad. Det är särskilt imponerande att detta utomordentligt svåra experiment, som kräver en sofistikerad enhetstillverkning och en utsökt kontroll av kvanttillstånd, görs i ett universitetslabb som bara består av ett fåtal forskare."