För att göra qubits för kvantdatorer mindre känsliga för buller, rotationen av en elektron eller någon annan partikel används företrädesvis. Forskare vid ETH Zürich har nu utvecklat en metod som gör det möjligt att koppla en sådan snurrkvbit starkt till mikrovågsfoton.

Kvantdatorer använder kvantbitar eller "qubits" för att göra sina beräkningar - kvanttillstånd, det är, av atomer eller elektroner som kan anta de logiska värdena "0" och "1" samtidigt. För att koppla upp många sådana qubits för att göra en kraftfull kvantdator, man måste koppla dem till varandra över millimeter eller till och med flera meter. Ett sätt att uppnå detta är genom att utnyttja laddningsförskjutningen som orsakas av en elektromagnetisk våg, som är antennens arbetsprincip. En sådan koppling, dock, utsätter också qubit för störningar på grund av oönskade elektriska fält, vilket starkt begränsar kvaliteten på de logiska qubit -operationerna.

Ett team av forskare som arbetar i flera forskargrupper vid ETH Zürich, assisterad av teoretiska fysiker vid Sherbrooke University i Kanada, har nu visat hur detta problem kan undvikas. Att göra så, de hittade ett sätt att koppla en mikrovågsfoton till en snurrkvbit i en kvantpunkt.

Qubits med laddning eller snurr

I kvantpunkter, elektroner fångas först i halvledarkonstruktioner som mäter bara några nanometer som kyls till mindre än en grad över den absoluta nollan på temperaturskalan. De logiska värdena 0 och 1 kan nu realiseras på två olika sätt. Man definierar antingen en qubit i termer av elektronens position på höger eller vänster sida av en dubbel kvantpunkt, annars genom elektronens snurr, som kan peka upp eller ner.

Det första fallet kallas en laddningskvbit, som kopplar starkt till elektromagnetiska vågor genom förskjutning av elektrisk laddning. En snurrqubit, å andra sidan, kan visualiseras som en liten kompassnål som pekar uppåt eller nedåt. Ungefär som en kompassnål, ett snurr är också magnetiskt och därför, inte kopplas till elektriska utan snarare till magnetfält. Kopplingen av en spin -qubit till den magnetiska delen av elektromagnetiska vågor, dock, är mycket svagare än en laddningskvbit till den elektriska delen.

Tre snurr för starkare koppling

Detta innebär att, å ena sidan, en spin -qubit är mindre mottaglig för brus och behåller sin koherens (som en kvantdators verkan bygger på) under en längre tid. Å andra sidan, Det är betydligt svårare att koppla ihop qubits till varandra över långa avstånd med hjälp av fotoner. Forskargruppen för ETH -professor Klaus Ensslin använder ett knep för att möjliggöra en sådan koppling ändå, som post-doc Jonne Koski förklarar:"Genom att förverkliga qubit med inte bara ett enda snurr, utan snarare tre av dem, vi kan kombinera fördelarna med en snurrkvbit med fördelarna med en laddningskvbit. "

I praktiken, detta görs genom att producera tre kvantpunkter på ett halvledarchip som ligger nära varandra och kan styras av spänningar som appliceras genom små trådar. I var och en av kvantpunkterna, elektroner med snurr som pekar uppåt eller nedåt kan fastna. Dessutom, en av trådarna ansluter spinntrion till en mikrovågsresonator. Spänningarna vid kvantpunkterna justeras nu för att ha en enda elektron i varje kvantpunkt, med snurr på två av elektronerna som pekar i samma riktning och den tredje snurren pekar i motsatt riktning.

Laddningsförskjutning genom tunnel

Enligt kvantmekanikens regler, elektronerna kan också tunnla fram och tillbaka mellan kvantprickarna med en viss sannolikhet. Det betyder att två av de tre elektronerna tillfälligt kan råka vara i samma kvantpunkt, med en kvantpunkt kvar som är tom. I denna konstellation är den elektriska laddningen nu ojämnt fördelad. Denna laddningsförskjutning, i tur och ordning, ger upphov till en elektrisk dipol som kan kopplas starkt till det elektriska fältet i en mikrovågsfoton.

Forskarna vid ETH kunde tydligt upptäcka den starka kopplingen genom att mäta resonansfrekvensen för mikrovågsresonatorn. De observerade hur resonatorns resonans delades i två på grund av kopplingen till spintrion. Av dessa data kan de dra slutsatsen att koherensen i spinnkvittan förblev intakt i mer än 10 nanosekunder.

Snurra trioer för en kvantbuss

Forskarna är övertygade om att det snart kommer att bli möjligt att förverkliga en kommunikationskanal för kvantinformation mellan två spin qubits med denna teknik. "Detta kommer att kräva att vi sätter spinntrios i vardera änden av mikrovågsresonatorn och visar att qubiterna sedan kopplas till varandra genom en mikrovågsfoton", säger Andreas Landig, första författaren till artikeln och doktorand student i Ensslin grupp. Detta skulle vara ett viktigt steg mot ett nätverk av rymdfördelade spin -qubits. Forskarna betonar också att deras metod är mycket mångsidig och enkelt kan appliceras på andra material som grafen.