Quantum computing utnyttjar gåtfulla egenskaper hos små partiklar för att bearbeta komplex information. Men kvantsystem är ömtåliga och felbenägna, och användbara kvantdatorer har ännu inte kommit till stånd.

Forskare vid Quantum Dynamics Unit vid Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) utarbetade en ny metod - kallad bildladdningsdetektion - för att detektera elektroners övergångar till kvanttillstånd. Elektroner kan fungera som kvantbitar, den minsta enheten av kvantinformation; dessa bitar är grundläggande för större beräkningssystem. Kvantdatorer kan användas för att förstå mekanismen för supraledning, kryptografi, artificiell intelligens, bland andra applikationer.

"Det finns ett stort gap mellan att kontrollera några få kvantbitar och att bygga en kvantdator, " sa Dr Erika Kawakami, huvudförfattaren till en ny studie, publicerad i Fysiska granskningsbrev med redaktörsförslag. "Med nuvarande toppmoderna kvantbitar, en kvantdator skulle behöva vara lika stor som en fotbollsplan. Vårt nya tillvägagångssätt kan potentiellt skapa ett tiocentimeters chip."

En ny potential för elektroner på helium

Elektroner måste immobiliseras för att fungera som kvantbitar; annars rör de sig fritt. För att skapa ett elektronfångande system, forskarna använde flytande helium, som blir flytande vid kalla temperaturer, som ett substrat. Eftersom helium är fritt från föroreningar, dessa elektroner förväntas behålla kvanttillstånd längre än i något annat material, vilket är viktigt för att förverkliga en kvantdator.

Prof. Denis Konstantinov och hans medarbetare, Kawakami och Dr Asem Elarabi, placerade en kondensator med parallella plattor inuti en kopparcell kyld till 0,2 grader Kelvin (-272,8 grader Celsius) och fylld med kondenserad flytande helium. Elektroner som genereras av en volframfilament satt ovanpå det flytande heliumets yta, mellan de två kondensatorplattorna. Sedan, mikrovågsstrålning som infördes i kopparcellen exciterade elektronernas kvanttillstånd, vilket får elektronerna att flytta bort från den nedre kondensatorplattan och komma närmare den övre kondensatorplattan.

Forskarna bekräftade exciteringen av kvanttillstånd genom att observera ett elektrostatiskt fenomen som kallas bildladdning. Som en reflektion i en spegel, bildladdning speglar exakt elektronernas rörelse. Om en elektron rör sig längre från kondensatorplattan, sedan rör sig bildladdningen bredvid den.

Går vidare, forskarna hoppas kunna använda denna bildladdningsdetektering för att mäta en individuell elektrons spinntillstånd, eller kvantomloppstillstånd, utan att störa kvantsystemens integritet.

"För närvarande, vi kan detektera kvanttillstånden för en ensemble av många elektroner, " Sa Konstantinov. "Den starka poängen med denna nya metod är att vi kan skala ner den här tekniken till en enda elektron och använda den som en kvantbit."