Forskare från MIT och på andra håll har registrerat, för första gången, "temporal koherens" för en grafenkvbit - vilket betyder hur länge den kan upprätthålla ett speciellt tillstånd som gör att det kan representera två logiska tillstånd samtidigt. Demonstrationen, som använde en ny typ av grafenbaserad qubit, representerar ett kritiskt steg framåt för praktisk kvantberäkning, säger forskarna.

Superledande kvantbitar (helt enkelt, qubits) är artificiella atomer som använder olika metoder för att producera bitar av kvantinformation, den grundläggande komponenten i kvantdatorer. Liknar traditionella binära kretsar i datorer, qubits kan behålla ett av två tillstånd som motsvarar de klassiska binära bitarna, a 0 eller 1. Men dessa qubits kan också vara en superposition av båda tillstånden samtidigt, vilket skulle göra det möjligt för kvantdatorer att lösa komplexa problem som praktiskt taget är omöjliga för traditionella datorer.

Den tid som dessa qubiter stannar i detta superpositionstillstånd kallas deras "koherenstid". Ju längre sammanhållningstid, desto större är förmågan för qubit att beräkna komplexa problem.

Nyligen, forskare har införlivat grafenbaserade material i supraledande kvantberäkningsenheter, som lovar snabbare, mer effektiv datoranvändning, bland andra förmåner. Tills nu, dock, det har inte registrerats någon samstämmighet för dessa avancerade qubits, så det finns ingen aning om de är möjliga för praktisk kvantberäkning.

I en artikel publicerad idag Naturnanoteknik , forskarna visar, för första gången, en sammanhängande qubit gjord av grafen och exotiska material. Dessa material gör det möjligt för qubit att ändra tillstånd genom spänning, ungefär som transistorer i dagens traditionella datorchips - och till skillnad från de flesta andra typer av supraledande qubits. Dessutom, forskarna sätter ett nummer till den sammanhanget, klocka den på 55 nanosekunder, innan qubiten återgår till sitt grundläge.

Arbetet kombinerade expertis från medförfattare William D. Oliver, en fysikprofessor i praktiken och Lincoln Laboratory Fellow vars arbete fokuserar på kvantdatasystem, och Pablo Jarillo-Herrero, Cecil och Ida Green professor i fysik vid MIT som forskar om innovationer inom grafen.

"Vår motivation är att använda grafens unika egenskaper för att förbättra prestanda för supraledande qubits, "säger författaren Joel I-Jan Wang, en postdoc i Olivers grupp i Research Laboratory of Electronics (RLE) vid MIT. "I det här arbetet, vi visar för första gången att en supraledande qubit gjord av grafen är tidsmässigt kvant koherent, en viktig förutsättning för att bygga mer sofistikerade kvantkretsar. Vår är den första enheten som visar en mätbar sammanhållningstid - ett primärt mått på en qubit - som är tillräckligt länge för att människor ska kunna kontrollera. "

Det finns 14 andra medförfattare, inklusive Daniel Rodan-Legrain, en doktorand i Jarillo-Herreros grupp som bidrog lika till arbetet med Wang; MIT -forskare från RLE, fysiska institutionen, institutionen för elektroteknik och datavetenskap, och Lincoln Laboratory; och forskare från Laboratory of Bestrålade fasta ämnen vid École Polytechnique och Advanced Materials Laboratory vid National Institute for Materials Science.

En orörd grafensmörgås

Superledande qubits förlitar sig på en struktur som kallas en "Josephson -korsning, "där en isolator (vanligtvis en oxid) är inklämd mellan två supraledande material (vanligtvis aluminium). I traditionella avstämbara qubit -konstruktioner, en strömslinga skapar ett litet magnetfält som får elektroner att hoppa fram och tillbaka mellan de superledande materialen, får qubit att byta tillstånd.

Men denna flödande ström förbrukar mycket energi och orsakar andra problem. Nyligen, några forskargrupper har ersatt isolatorn med grafen, ett atomtjockt kollager som är billigt att massproducera och har unika egenskaper som kan möjliggöra snabbare, mer effektiv beräkning.

För att tillverka sin qubit, forskarna vände sig till en materialklass, kallade van der Waals-material-atom-tunna material som kan staplas som Legos ovanpå varandra, med lite eller inget motstånd eller skador. Dessa material kan staplas på specifika sätt för att skapa olika elektroniska system. Trots deras nästan felfria ytkvalitet, endast ett fåtal forskargrupper har någonsin använt van der Waals -material på kvantkretsar, och ingen har tidigare visat sig uppvisa tidsmässig koherens.

För deras Josephson -korsning, forskarna klämde in ett ark grafen mellan de två lagren av en van der Waals -isolator som kallas hexagonal bornitrid (hBN). Viktigt, grafen tar på sig supraledningsförmågan hos de superledande materialen som den vidrör. De utvalda van der Waals -materialen kan tillverkas för att leda elektroner runt med hjälp av spänning, istället för det traditionella strömbaserade magnetfältet. Därför, så kan grafen - och så kan hela qubit.

När spänning appliceras på qubit, elektroner studsar fram och tillbaka mellan två supraledande ledningar anslutna med grafen, ändra qubit från mark (0) till exciterat eller superpositionsläge (1). Det nedre hBN -skiktet fungerar som ett substrat för att vara värd för grafen. Det övre hBN -skiktet inkapslar grafen, skydda den från föroreningar. Eftersom materialen är så orörda, resande elektroner interagerar aldrig med defekter. Detta representerar den idealiska "ballistiska transporten" för qubits, där en majoritet av elektronerna rör sig från ett supraledande bly till ett annat utan att spridas med föroreningar, gör en snabb, exakta förändringar av stater.

Hur spänning hjälper

Arbetet kan hjälpa till att hantera qubit -skalningsproblemet, "Säger Wang. För närvarande, bara ca 1, 000 qubits får plats på ett enda chip. Att ha qubits som styrs av spänning kommer att vara särskilt viktigt eftersom miljontals qubits börjar fyllas på ett enda chip. "Utan spänningskontroll, du behöver också tusentals eller miljoner nuvarande slingor, och det tar mycket plats och leder till energispridning, " han säger.

Dessutom, spänningskontroll innebär större effektivitet och en mer lokaliserad, exakt inriktning av enskilda qubits på ett chip, utan "cross talk". Det händer när en liten bit av magnetfältet som skapas av strömmen stör en qubit den inte riktar sig mot, orsakar beräkningsproblem.

Tills vidare, forskarnas qubit har en kort livstid. Som referens, konventionella supraledande qubits som lovar praktisk tillämpning har dokumenterat sammanhållningstider på några tiotals mikrosekunder, några hundra gånger större än forskarnas qubit.

Men forskarna tar redan upp flera frågor som orsakar denna korta livstid, varav de flesta kräver strukturella ändringar. De använder också sin nya koherens-sonderande metod för att ytterligare undersöka hur elektroner rör sig ballistiskt runt qubiterna, med syfte att utöka sammanhanget mellan qubiter i allmänhet.