Forskare har framgångsrikt använt ljudvågor för att kontrollera kvantinformation i en enda elektron, ett viktigt steg mot effektiv, robusta kvantdatorer gjorda av halvledare.

Det internationella laget, inklusive forskare från University of Cambridge, skickade högfrekventa ljudvågor över en modifierad halvledarenhet för att styra beteendet hos en enskild elektron, med verkningsgrader på över 99 procent. Resultaten redovisas i tidskriften Naturkommunikation .

En kvantdator skulle kunna lösa tidigare olösbara beräkningsproblem genom att dra fördel av partiklarnas konstiga beteende på subatomär skala, och kvantfenomen som intrassling och superposition. Dock, att just kontrollera beteendet hos kvantpartiklar är en enorm uppgift.

"Det som skulle göra en kvantdator så kraftfull är dess förmåga att skala exponentiellt, " sa medförfattaren Hugo Lepage, en Ph.D. kandidat i Cambridges Cavendish Laboratory, som utförde det teoretiska arbetet för den aktuella studien. "I en klassisk dator, för att dubbla mängden information måste du dubbla antalet bitar. Men i en kvantdator, du behöver bara lägga till en kvantbit till, eller qubit, att fördubbla informationen."

Förra månaden, forskare från Google påstod sig ha nått "kvantöverhöghet", punkten där en kvantdator kan utföra beräkningar utöver kapaciteten hos de mest kraftfulla superdatorerna. Dock, kvantdatorerna som Google, IBM och andra utvecklar är baserade på supraledande slingor, som är komplexa kretsar och, som alla kvantsystem, är mycket ömtåliga.

"Den minsta fluktuationen eller avvikelsen kommer att förstöra kvantinformationen som finns i slingornas faser och strömmar, ", sa Lepage. "Detta är fortfarande väldigt ny teknik och expansion bortom den mellanliggande skalan kan kräva att vi går ner till en partikelnivå."

Istället för supraledande slingor, kvantinformationen i kvantdatorn Lepage och hans kollegor funderar på att använda en elektrons "spin" - dess inneboende vinkelmomentum, som kan vara uppåt eller nedåt – för att lagra kvantinformation.

"Att utnyttja spinn för att driva en fungerande kvantdator är ett mer skalbart tillvägagångssätt än att använda supraledning, och vi tror att användning av spin kan leda till en kvantdator som är mycket mer robust, eftersom spinninteraktioner bestäms av naturlagarna, sa Lepage.

Genom att använda spin kan kvantinformationen lättare integreras med befintliga system. Enheten som utvecklats i det aktuella arbetet är baserad på allmänt använda halvledare med några mindre modifieringar.

Enheten, som testades experimentellt av Lepages medförfattare från Institut Néel, mäter bara några miljondelar av en meter lång. Forskarna lade metallgrindar över en halvledare och applicerade en spänning, som genererade ett komplext elektriskt fält. Forskarna riktade sedan högfrekventa ljudvågor över enheten, får den att vibrera och förvränga, som en liten jordbävning. När ljudvågorna fortplantar sig, de fångar elektronerna, trycka dem genom enheten på ett mycket exakt sätt, som om elektronerna "surfar" på ljudvågorna.

Forskarna kunde kontrollera beteendet hos en enskild elektron med 99,5 procents effektivitet. "Att kontrollera en enda elektron på detta sätt är redan svårt, men för att komma till en punkt där vi kan ha en fungerande kvantdator, vi måste kunna kontrollera flera elektroner, som blir exponentiellt svårare när qubits börjar interagera med varandra, sa Lepage.

Under de kommande månaderna, forskarna kommer att börja testa enheten med flera elektroner, vilket skulle föra en fungerande kvantdator ytterligare ett steg närmare.