Att skapa en kraftfull, storskalig kvantdator är beroende av en smart design så att många qubits (byggstenen i en kvantdator) kan styras och läsas ut. Forskare vid QuTech, ett samarbete mellan TU Delft och TNO, har uppfunnit en ny avläsningsmetod som är ett viktigt steg framåt på vägen mot en så storskalig kvantdator. De har publicerat sina resultat i Naturkommunikation i dag.

Som att välta dominobrickor

"Vår nya avläsningsmetod är baserad på ett fenomen som vi alla känner till från vår barndom:att välta dominobrickor, sa Sjaak van Diepen, Ph.D. forskare i Lieven Vandersypens grupp och huvudförfattare till artikeln. "En första övergång utlöser en andra övergång, en andra övergång utlöser en tredje övergång, och så vidare-ungefär som dominoer som välter i en kedjereaktion. "Med tanke på konsekvenserna av denna dominoeffekt fick laget att uppfinna en ny avläsningsmetod. Den kommer att kunna övervinna en stor utmaning i att skala upp mot storskalig kvantdatorer:den med qubit-anslutning (förmågan att koppla ihop många qubits).

Spin-qubits i quantum dot arrays

Vandersypens grupps tillvägagångssätt för att bygga en kvantdator är baserat på så kallade spin-qubits i quantum dot-arrays. Kvantprickar är mycket små öar som var och en kan begränsa en eller flera elektroner och är tunnelkopplade till sina grannar. Elektronens spinn fungerar som en qubit. Spin qubits i kvantprickar läses ut via en mycket känslig detektor som mäter laddningen i dess omgivning. Van Diepen:"Laddningssensorer fungerar bra, men bara lokalt:de måste vara i närheten av avgiften de mäter. Att skala upp det nuvarande tillvägagångssättet mot ett stort antal sammankopplade qubits kommer därför att begränsa qubit-anslutning, eftersom vi skulle behöva placera sensorer nära alla qubits. "

Överföra kvantinformation över ett avstånd

Det nya avläsningsschemat som uppfunnits av forskarna ser till att även en spin-qubit långt bort från laddningssensorn fortfarande kommer att läsas ut med hög noggrannhet. Tzu-Kan Hsiao, postdoc och andra författare till artikeln:"Vår avläsningsmetod är baserad på det faktum att laddningar interagerar med varandra. Därför, en första laddningsövergång kan utlösa andra laddningsövergångar - vilket bildar en kaskad av övergångar."

Innan en sådan kaskad av övergångar kan inträffa, forskarna måste först se till att elektronerna blir känsliga för dessa övergångar - precis som domino måste ställas upprätt innan de kan välta. Van Diepen:"Vi utlöser en första laddningsövergång genom en metod som kallas spin-to-charge-konvertering, där ett visst spinntillstånd kommer att leda till en laddningsövergång. Detta sätter igång kaskaden av övergångar, så att vi kan avläsa snurran av en laddning långt borta från sensorn."

Forskarna hoppas att andra forskargrupper och industrier som arbetar med utvecklingen av en kvantdator kommer att dra nytta av att implementera avläsningsmetoden och bygga vidare på deras resultat. På det här sättet, utmaningarna på vägen mot en storskalig kvantdator kan övervinnas en efter en-precis som att välta dominoer.