En grupp internationella forskare har avsevärt förlängt den tid som en spin-orbit qubit i kisel kan behålla kvantinformation för, öppnar en ny väg för att göra kvantdatorer av kisel mer skalbara och funktionella.

Spin-orbit qubits har undersökts i över ett decennium som ett alternativ för att skala upp antalet qubits i en kvantdator, eftersom de är lätta att manipulera och koppla över långa avstånd. Dock, de har alltid visat mycket begränsade koherenstider, alldeles för kort för kvantteknik.

Forskningen publicerad idag i Naturmaterial visar att långa koherenstider är möjliga när spin-omloppskopplingen är tillräckligt stark. Faktiskt, forskarna visade koherens gånger 10, 000 gånger längre än vad som tidigare registrerats för spin-orbit qubits, vilket gör dem till en idealisk kandidat för att skala upp kiselkvantdatorer.

"Vi vände den konventionella visdomen på huvudet genom att visa exceptionellt långa koherenstider - ~10 millisekunder - och därför att spin-orbit qubits kan vara anmärkningsvärt robusta, säger UNSW professor Sven Rogge, chefsutredare, Center for Quantum Computation and Communication Technology (CQC2T), som ledde forskargruppen.

Stark koppling är nyckeln

Hur stabil en qubit är avgör hur lång tid den kan bevara kvantinformation.

I spin-orbit qubits lagras information om elektronens spinn såväl som dess rörelse – hur den "kretsar" atomer i chipets gitter. Det är styrkan i kopplingen mellan dessa två snurr som håller qubiten stabil och mindre benägen att förstöras av elektriskt brus i enheter.

"Kvantinformationen i de flesta spin-orbit qubits är extremt bräcklig. Vår spin-orbit qubit är speciell eftersom kvantinformation som lagras i den är mycket robust, "säger huvudförfattaren Dr Takashi Kobayashi, som utförde forskningen vid UNSW och är nu vid Tohoku University.

"Informationen lagras i orienteringen av elektronens snurr och omloppsbana, inte bara snurran. Den cirkulära omloppsbanan för den laddade elektronen och spinnet är låsta tillsammans som kugghjul på grund av den mycket starka attraktionen i spin-omloppskopplingen.

"Genom att öka styrkan på den spin-omloppskopplingen kan vi uppnå de betydligt längre koherenstider som vi har publicerat idag."

Engineering längre koherenstider

För att öka koherenstiden, forskarna skapade först spin-orbit qubits genom att introducera föroreningar, kallas acceptordopantatomer, i en kiselkristall. Teamet modifierade sedan spänningen i kiselgitterstrukturen hos chippet för att generera olika nivåer av spin-omloppskoppling.

"Kristallen är speciell eftersom den bara innehåller isotopen av kisel utan kärnspinn. Detta eliminerar magnetiskt brus, och eftersom det är ansträngt minskar känsligheten för elektriskt brus också, säger Kobayashi.

"Vårt chip fixerades på ett material som vid låg temperatur sträcker ut kislet - som ett gummiband. Genom att sträcka gallret till rätt spänning kunde vi justera spin-orbit-kopplingen till det optimala värdet."

Slutresultatet gav koherens gånger över 10, 000 gånger längre än vad som tidigare hittats i spin-omlopps qubits.

Detta innebär att kvantinformation bevaras mycket längre, gör att många fler operationer kan utföras – en viktig språngbräda för att skala upp kvantdatorer.

Uppskalning med spin-orbit-koppling

För att en kvantdator ska överträffa en klassisk dator, ett stort antal qubits behöver arbeta tillsammans för att utföra komplexa beräkningar.

"Stabiliteten hos vår spin-orbit qubit till elektriska fält är unik, bevisar en robust ny väg för att göra skalbara kvantdatorer. "säger medförfattare Joe Salfi, som utförde forskningen vid CQC2T och är nu vid University of British Columbia.

Fyndet möjliggör i slutändan nya sätt att manipulera enskilda qubits och koppla qubits över mycket större avstånd, vilket kommer att göra chipsproduceringsprocessen mer flexibel.

Den elektriska interaktionen möjliggör också koppling till andra kvantsystem, öppnar upp utsikterna för hybridkvantsystem.

Tidigare forskning publicerad i Vetenskapliga framsteg av UNSW-teamet visade spin-orbit-koppling i kisel ger många fördelar för att skala upp till ett stort antal qubits.

"Spins i kisel är mycket attraktiva för skalbara kvantinformationsenheter eftersom de är stabila och kompatibla med nuvarande datorbehandlingstekniker, gör dessa enheter lätta att tillverka, säger prof. Rogge.

"Nu när vi har visat långa koherenstider, spin-orbit qubits är en stark kandidat för en storskalig kvantprocessor i kisel."