Kvantbitar är nu lättare att manipulera för enheter inom kvantberäkning, tack vare förbättrad spin-orbit-interaktion i kisel.

Ett kiselkvantdatorchip har potential att rymma miljontals kvantbitar, eller qubits, för mycket snabbare informationsbehandling än med bitarna på dagens datorer. Detta översätts till höghastighetsdatabas-sökningar, bättre cybersäkerhet och mycket effektiv simulering av material och kemiska processer.

Nu, forskargrupper från Purdue University, tekniska universitetet i Delft, Nederländerna och University of Wisconsin-Madison har upptäckt att kisel har unika spin-orbit-interaktioner som kan möjliggöra manipulation av qubits med hjälp av elektriska fält, utan behov av konstgjorda medel.

"Qubits kodade i elektronernas snurr är särskilt långlivade i kisel, men de är svåra att kontrollera med elektriska fält. Spinn-bana-interaktion är en viktig knopp för utformningen av qubits som man trodde var liten i detta material, traditionellt, "sa Rajib Rahman, forskningsassistent professor vid Purdues School of Electrical and Computer Engineering.

Styrkan i spin-orbit-interaktion, som är växelverkan mellan en elektrons snurrning och dess rörelse, är en viktig faktor för kvaliteten på en qubit. Forskarna hittade mer framträdande spin-orbit-interaktion än vanligt vid kiselytan där qubits finns i form av så kallade kvantpunkter-elektroner begränsade i tre dimensioner. Rahmans laboratorium identifierade att denna spin-orbit-interaktion är anisotrop i naturen-vilket betyder att den är beroende av vinkeln på ett yttre magnetfält-och starkt påverkad av atomens detaljer på ytan.

"Denna anisotropi kan användas för att antingen förstärka eller minimera styrkan hos spin-orbit-interaktionen, sa Rifat Ferdous, huvudförfattare till detta arbete och en Purdue forskarassistent inom el- och datorteknik. Spin-bana-interaktion påverkar sedan qubits.

"Om det finns en stark spin-orbit-interaktion, qubitens livstid är kortare men du kan manipulera det lättare. Motsatsen händer med en svag rotationsbana-interaktion:Qubitens livslängd är längre, men manipulation är svårare, "Sa Rahman.

Forskarna publicerade sina fynd den 5 juni i Nature Partner Journals — Quantum Information. Wisconsin-Madison-teamet tillverkade kiselanordningen, Delft -teamet utförde experimenten och Purdue -teamet ledde den teoretiska undersökningen av de experimentella observationerna. Detta arbete stöds av Army Research Office, US Department of Energy, National Science Foundation och European Research Council.

Kommande arbete i Rahmans laboratorium kommer att fokusera på att dra nytta av den anisotropa karaktären hos interaktioner med spinnbana för att ytterligare förbättra koherensen och kontrollen av qubits, och, därför, uppskalning av kvantdatorchips.