Milstolpe på vägen till kvantdatorn:forskare vid universitetet i Konstanz, Princeton Universitet, och University of Maryland har utvecklat en stabil kvantport för tvåkvantbitsystem av kisel. Kvantporten kan utföra alla nödvändiga grundläggande operationer för kvantdatorn. Elektronspinnet för enskilda elektroner i kisel används som grundlagringsenhet ("kvantbitar"). Forskningsresultaten publicerades före tryckning i Vetenskap den 7 december 2017.

Det kommer att ta ganska många år tills produktionen av kommersiella kvantdatorer. Kvantdatorer kommer att bli mer effektiva och kommer att kunna lösa problem som är omöjliga för nuvarande datorer. Dock, kvantdatorn reagerar mycket mer känsligt på yttre störningar än en vanlig maskin. Följaktligen, ett primärt mål är att skapa stabila "kvantportar" - den grundläggande "byggstenen" för kvantdatorn. Forskare från universitetet i Konstanz, Princeton University och University of Maryland lyckades nu skapa stabila kvantportar för tvåkvantbitsystem. Deras kvantport använder individuella elektroner i kisel för att lagra kvantbitarna, och de kan exakt styra och läsa upp interaktionen mellan två kvantbitar. Den här vägen, experimentet inkluderar alla nödvändiga grundläggande operationer för kvantdatorn.

Från elektron till kvantbit

Precis som en klassisk digital dator använder bitar med värdena antingen noll eller en som grundenheter för alla beräkningsprocesser, en kvantdator, använder kvantbitar. Skillnaden är att kvantbiten inte är begränsad till två tillstånd (noll och en), men kan existera i flera tillstånd samtidigt, och är därför mycket mer komplex i sin implementering än ett enkelt digitalt system. Forskare har kommit med flera idéer för att tekniskt förverkliga en kvantbit, till exempel, med hjälp av joner eller supraledande system. Forskarna från Konstanz, Princeton och Maryland, dock, använd elektronspinnet, den inre vinkelmomentet för en enda elektron, som grund för kvantbitar. Elektronens rotationsriktning motsvarar noll- och ettvärdena för den digitala biten, men i sitt exakta kvanttillstånd, elektronen kan hålla mer information än bara en enkel nolla eller en.

En första bedrift för forskarna var därför att extrahera en enda elektron från miljarder atomer i en kiselbit. "Det var en extraordinär prestation av våra kollegor från Princeton, "säger fysikern professor Guido Burkard, som samordnade den teoretiska forskningen i Konstanz. Forskarna använde en kombination av elektromagnetisk attraktion och avstötning för att separera en enda elektron från elektrongruppen. De separerade elektronerna ställs sedan upp exakt och var och en är inbäddad i ett slags "ihåligt, "där de hålls i flytande tillstånd.

Nästa utmaning var att utveckla ett system för att styra vinkelmomentet hos enskilda elektroner. Konstanz-fysikerna Guido Burkard och Maximilian Russ har utvecklat följande metod:en nano-elektrod appliceras på varje elektron. Med hjälp av en magnetfältgradient, fysikerna kan skapa ett positionsberoende magnetfält för att komma åt de enskilda elektronerna, vilket gör det möjligt för forskarna att styra elektronernas vinkelmoment. Den här vägen, de har skapat stabila en-kvant-bitars system för att lagra och läsa upp information i form av elektronspinn.

Steget mot tvåkvantbitsystemet

En kvantbit, dock, är inte tillräckligt för att generera det grundläggande kopplingssystemet för en kvantdator. Att göra så, två kvantbitar krävs. Det avgörande steget Konstanz-forskarna tog mot tvåkvantbitsystemet var att länka tillstånden hos två elektroner. En sådan länk gör det möjligt att konstruera basala kopplingssystem med vilka alla grundläggande operationer i kvantdatorn kan utföras. Till exempel, systemet kan programmeras på ett sådant sätt att en elektron roterar endast när dess intilliggande elektron har ett snurr i en förutbestämd riktning.

Detta innebar att forskarna från Konstanz var tvungna att skapa ett stabilt system för att länka snurr på två individuella elektroner. "Det var den viktigaste och svåraste delen av vårt arbete, "säger Guido Burkard, som utformade och planerade metoden tillsammans med teammedlemmen Maximilian Russ. De utvecklade ett kopplingssystem som koordinerar vinkelmomentet för två elektroner i interberoende. Ytterligare en nano-elektrod placeras mellan de två "håligheter" där kiselelektronerna flyter. Denna elektrod styr kopplingen mellan de två elektronspinnarna. Med denna metod, fysikerna har insett en stabil och funktionell grundbehandlingsenhet för en kvantdator. Trovärdigheter för enstaka kvantbitar är över 99 procent, och cirka 80 procent för två samverkande kvantbitar - betydligt stabilare och mer exakt än i tidigare försök.

Kisel - ett "tyst material"

Basmaterialet i kvantporten är kisel. "Ett magnetiskt mycket tyst material med endast ett lågt antal egna kärnvridningar, "Guido Burkard säger, sammanfattar fördelarna med kisel. Det är viktigt att atomkärnorna i det valda materialet inte har för många snurr, det är, inneboende vinkelmoment, som kan störa kvantbitarna. Kisel, med cirka fem procent, har en extremt låg centrifugeringsaktivitet för sina atomkärnor och är därför ett särskilt lämpligt material. En annan fördel:Kisel är standardmaterialet i halvledarteknik och följaktligen väl undersökt. Forskarna kan därför dra nytta av många års erfarenhet av materialet.