Kvantdatorer, med sina löften om att skapa nya material och lösa svårlösta matematiska problem, är en dröm för många fysiker. Nu, de närmar sig sakta genomförbart förverkligande i många laboratorier över hela världen. Men det finns fortfarande enorma utmaningar att bemästra. En central är konstruktionen av stabila kvantbitar - den grundläggande enheten för kvantberäkning, kallas "qubit" för kort – som kan kopplas ihop i nätverk.

I en studie publicerad i Naturmaterial och leds av Daniel Jirovec från Katsaros-gruppen vid IST Österrike i nära samarbete med forskare från L-NESS Inter-university Center i Como, Italien, forskare har nu skapat ett nytt och lovande kandidatsystem för tillförlitliga qubits.

Spinnande frånvaro

Forskarna skapade qubiten med hjälp av spinn av så kallade hål. Varje hål är helt enkelt frånvaron av en elektron i ett fast material. Otroligt, en saknad, negativt laddad partikel kan fysiskt behandlas som om det vore en positivt laddad partikel. Den kan till och med röra sig i det fasta ämnet när en angränsande elektron fyller hålet. Således, effektivt, hålet som beskrivs som positivt laddad partikel rör sig framåt.

Dessa hål har till och med den kvantmekaniska egenskapen hos spinn och kan interagera om de kommer nära varandra. "Våra kollegor på L-NESS lade flera olika blandningar av kisel och germanium bara några nanometer tjocka ovanpå varandra. Det gör att vi kan begränsa hålen till det germaniumrika lagret i mitten, Jirovec förklarar. vi lade till små elektriska ledningar-så kallade grindar-för att styra rörelsen av hål genom att applicera spänning på dem. De elektriskt positivt laddade hålen reagerar på spänningen och kan extremt exakt flyttas runt i sitt lager."

Genom att använda denna kontroll i nanoskala, forskarna flyttade två hål nära varandra för att skapa en qubit av deras interagerande snurr. Men för att få detta att fungera, de behövde applicera ett magnetfält på hela uppställningen. Här, deras innovativa tillvägagångssätt spelar in.

Länka Qubits

I deras inställningar, Jirovec och hans kollegor kan inte bara flytta runt hål utan också ändra deras egenskaper. Genom att konstruera olika hålegenskaper, de skapade qubiten av de två interagerande hålsnurren med mindre än tio millitesla av magnetfältstyrka. Detta är ett svagt magnetfält jämfört med andra liknande qubit-inställningar, som sysselsätter minst tio gånger starkare fält.

Men varför är det relevant? "Genom att använda vår lagrade germanium -inställning kan vi minska den erforderliga magnetfältstyrkan och därför tillåta kombinationen av vår qubit med superledare, vanligtvis hämmas av starka magnetfält, " säger Jirovec. Supraledare - material utan elektriskt motstånd - stödjer länkningen av flera kvantbitar på grund av deras kvantmekaniska natur. Detta kan göra det möjligt för forskare att bygga nya typer av kvantdatorer som kombinerar halvledare och supraledare.

Förutom de nya tekniska möjligheterna, dessa hålsnurr qubits ser lovande ut på grund av deras bearbetningshastighet. Med upp till hundra miljoner operationer per sekund samt deras långa livslängd på upp till 150 mikrosekunder verkar de särskilt lönsamma för kvantberäkning. Vanligtvis, det finns en avvägning mellan dessa fastigheter, men denna nya design förenar båda fördelarna.