Spin-baserade kvantdatorer har potential att tackla svåra matematiska problem som inte kan lösas med vanliga datorer, men många problem kvarstår med att göra dessa maskiner skalbara. Nu, en internationell grupp forskare under ledning av RIKEN Center for Emergent Matter Science har skapat en ny arkitektur för kvantberäkning. Genom att konstruera en hybridenhet gjord av två olika typer av qubit – det grundläggande beräkningselementet i kvantdatorer – har de skapat en enhet som snabbt kan initieras och läsas ut, och som samtidigt upprätthåller hög kontrolltrohet.

I en tid då konventionella datorer verkar nå en gräns, kvantdatorer – som gör beräkningar med hjälp av kvantfenomen – har utpekats som potentiella ersättningar, och de kan ta itu med problem på ett mycket annorlunda och potentiellt mycket snabbare sätt. Dock, det har visat sig svårt att skala upp dem till den storlek som krävs för att utföra verkliga beräkningar.

1998, Daniel Loss, en av författarna till den aktuella studien, kom med ett förslag, tillsammans med David DiVincenzo från IBM, att bygga en kvantdator genom att använda spinn av elektroner inbäddade i en kvantpunkt – en liten partikel som beter sig som en atom, men det går att manipulera, så att de ibland kallas "konstgjorda atomer". Under tiden sedan dess, Loss och hans team har strävat efter att bygga praktiska enheter.

Det finns ett antal hinder för att utveckla praktiska anordningar när det gäller hastighet. Först, enheten måste kunna initieras snabbt. Initialisering är processen att sätta en qubit i ett visst tillstånd, och om det inte kan göras snabbt saktar det ner enheten. Andra, den måste bibehålla koherensen under tillräckligt lång tid för att göra en mätning. Koherens hänvisar till intrasslingen mellan två kvanttillstånd, och slutligen används detta för att göra mätningen, så om qubits blir dekoherenta på grund av miljöbuller, till exempel, enheten blir värdelös. Och slutligen, det slutliga tillståndet för qubiten måste snabbt kunna läsas ut.

Medan ett antal metoder har föreslagits för att bygga en kvantdator, den som föreslagits av Loss och DiVincenzo är fortfarande en av de mest praktiskt genomförbara, eftersom den är baserad på halvledare, för vilken det redan finns en stor industri.

För den aktuella studien, publicerad i Naturkommunikation , teamet kombinerade två typer av qubits på en enda enhet. Den första, en typ av single-spin qubit som kallas en Loss-DiVincenzo qubit, har mycket hög kontrolltrohet – vilket betyder att den är i ett klart tillstånd, gör den idealisk för beräkningar, och har en lång dekoherenstid, så att den kommer att stanna i ett givet tillstånd under en relativt lång tid innan den förlorar sin signal till omgivningen.

Tyvärr, Nackdelen med dessa qubits är att de inte snabbt kan initieras till ett tillstånd eller läsas ut. Den andra typen, kallas en singlett-triplett qubit, initieras snabbt och läses upp, men det blir snabbt osammanhängande. För studien, forskarna kombinerade de två typerna med en typ av kvantgrind känd som en kontrollerad fasgrind, som gjorde det möjligt för spinntillstånd att intrasslas mellan qubitarna under en tid som är tillräckligt snabb för att bibehålla koherensen, tillåta tillståndet för enkelspinns-qubiten att läsas ut av den snabba singlet-triplett-qubit-mätningen.

Enligt Akito Noiri från CEMS, huvudförfattaren till studien, "Med den här studien har vi visat att olika typer av kvantprickar kan kombineras på en enda enhet för att övervinna deras respektive begränsningar. Detta ger viktiga insikter som kan bidra till kvantdatorers skalbarhet."