Vid Niels Bohr Institute, Köpenhamns universitet, forskare har insett bytet av elektronspinn mellan avlägsna kvantpunkter. Upptäckten ger oss ett steg närmare framtida tillämpningar av kvantinformation, eftersom de små prickarna måste lämna tillräckligt med utrymme på mikrochipet för känsliga kontrollelektroder. Avståndet mellan prickarna har nu blivit tillräckligt stort för integration med traditionell mikroelektronik och kanske, en framtida kvantdator. Resultatet uppnås genom ett multinationellt samarbete med Purdue University och UNSW, Sydney, Australien, nu publicerad i Naturkommunikation .

Storlek spelar roll vid utbyte av kvantinformation även på nanometerskalan

Kvantinformation kan lagras och utbytas med hjälp av elektronspinntillstånd. Elektronernas laddning kan manipuleras av grindspänningspulser, som också styr deras snurr. Man trodde att denna metod bara kan vara praktisk om kvantprickar vidrör varandra; om de kläms för nära varandra kommer spinnarna att reagera för våldsamt, om de placeras för långt ifrån varandra snurrar interaktionen alldeles för långsamt. Detta skapar ett dilemma, för om en kvantdator någonsin kommer att se dagens ljus, vi behöver båda, snabbt snurrutbyte och tillräckligt med utrymme runt kvantpunkter för att rymma de pulserade grindelektroderna.

I vanliga fall, vänster och höger prickar i den linjära uppsättningen av kvantpunkter (bild 1) är för långt ifrån varandra för att utbyta kvantinformation med varandra. Frederico Martins, postdoc på UNSW, Sydney, Australien, förklarar:"Vi kodar kvantinformation i elektronernas spinntillstånd, som har den önskvärda egenskapen att de inte interagerar mycket med den bullriga miljön, vilket gör dem användbara som robusta och långlivade kvantminnen. Men när du aktivt vill bearbeta kvantinformation, bristen på interaktion är kontraproduktivt - för nu vill du att snurren ska interagera! "Vad ska du göra? Du kan inte ha både långlivad information och informationsutbyte - eller så verkar det." Vi upptäckte det genom att placera en stor, långsträckt kvantpunkt mellan vänster och höger prick, det kan förmedla en sammanhängande byte av spinntillstånd, inom en miljarddels sekund, utan att någonsin flytta elektroner ur sina prickar. Med andra ord, vi har nu både snabb interaktion och nödvändigt utrymme för de pulserade grindelektroderna ", säger Ferdinand Kuemmeth, docent vid Niels Bohr Institute.

Samarbetet mellan forskare med mångfaldig expertis var nyckeln till framgång. Interna samarbeten främjar ständigt tillförlitligheten i nanofabrikationsprocesser och sofistikerade tekniker med låg temperatur. Faktiskt, vid Center for Quantum Devices, stora utmanare för implementering av solid-state kvantdatorer studeras för närvarande intensivt, nämligen halvledande spin -qubits, supraledande gatemon qubits, och topologiska Majorana qubits.

Alla är spänningsstyrda qubits, låta forskare dela trick och lösa tekniska utmaningar tillsammans. Men Kuemmeth är snabb att tillägga att "allt detta vore meningslöst om vi inte hade tillgång till extremt rena halvledande kristaller i första hand". Michael Manfra, Professor i materialteknik, håller med:"Purdue har lagt ner mycket arbete på att förstå de mekanismer som leder till tysta och stabila kvantpunkter. Det är fantastiskt att se detta arbete ge fördelar för Köpenhamns nya qubits".

Den teoretiska ramen för upptäckten tillhandahålls av University of Sydney, Australien. Stephen Bartlett, professor i kvantfysik vid University of Sydney, sade:"Vad jag tycker är spännande med detta resultat som teoretiker, är att det befriar oss från den begränsande geometrin hos en qubit som bara förlitar sig på dess närmaste grannar. "Hans team utförde detaljerade beräkningar, ger den kvantmekaniska förklaringen till den kontraintuitiva upptäckten.

Övergripande, demonstrationen av snabb spinnbyte utgör inte bara en anmärkningsvärd vetenskaplig och teknisk prestation, men kan ha djupgående konsekvenser för arkitekturen hos solid-state kvantdatorer. Orsaken är avståndet:"Om snurr mellan icke-närliggande qubits kan kontrolleras utbytas, detta kommer att möjliggöra förverkligande av nätverk där den ökade qubit-qubit-anslutningen leder till en signifikant ökad beräkningskvantumvolym ", förutspår Kuemmeth.