En bild med svepelektronmikroskop (SEM) av en anordning som är litografiskt identisk med den uppmätta visar grindelektrodlayouten i det aktiva området. Kredit:Eriksson et al.
Qubits är byggstenarna i kvantdatorer, som har potential att revolutionera många forskningsområden genom att lösa problem som klassiska datorer inte kan.
Men att skapa qubits som har den perfekta kvaliteten som krävs för kvantberäkning kan vara utmanande.
Forskare vid University of Wisconsin–Madison, HRL Laboratories LLC och University of New South Wales (UNSW) samarbetade i ett projekt för att bättre kontrollera kvantpunktskvantbitar av kisel, vilket möjliggör tillverkning av högre kvalitet och användning i bredare applikationer. Alla tre institutionerna är anslutna till Chicago Quantum Exchange. Verket publicerades i Physical Review Letters , och huvudförfattaren, J. P. Dodson, har nyligen gått över från UW–Madison till HRL.
"Konsistens är det vi är ute efter här", säger Mark Friesen, Distinguished Scientist of Physics vid UW-Madison och författare på tidningen. "Vårt påstående är att det faktiskt finns hopp om att skapa en mycket enhetlig uppsättning punkter som kan användas som qubits."
Känsliga kvanttillstånd
Medan klassiska datorbitar använder elektriska kretsar för att representera två möjliga värden (0 och 1), använder qubits två kvanttillstånd för att representera 0 och 1, vilket gör att de kan dra fördel av kvantfenomen som superposition för att göra kraftfulla beräkningar.
Qubits kan konstrueras på olika sätt. Ett sätt att bygga en qubit är genom att tillverka en kvantprick, eller en mycket, mycket liten bur för elektroner, bildad i en kiselkristall. Till skillnad från qubits gjorda av enstaka atomer, som alla är naturligt identiska, är quantum dot qubits konstgjorda – vilket gör det möjligt för forskare att anpassa dem till olika applikationer.
Men en vanlig skiftnyckel i de metaforiska kugghjulen för dessa kisel-qubits är konkurrens mellan olika typer av kvanttillstånd. De flesta qubits använder "snurrtillstånd" för att representera 0 och 1, som förlitar sig på en unik kvantegenskap som kallas spin. Men om qubiten har andra typer av kvanttillstånd med liknande energier, kan de andra tillstånden störa, vilket gör det svårt för forskare att effektivt använda qubiten.
I kvantprickar av kisel är de tillstånd som oftast konkurrerar med de som behövs för beräkning "daltillstånd", uppkallade efter deras lägen på en energigraf – de finns i grafens "dalar".
För att ha den mest effektiva kvantpunktsqubiten måste punktens daltillstånd kontrolleras så att de inte stör de kvantinformationsbärande spinntillstånden. Men dalstaterna är extremt känsliga; kvantprickarna sitter på en plan yta, och om det ens finns en extra atom på ytan under kvantpricken ändras energierna i daltillstånden.
Studiens författare säger att dessa typer av enatomsdefekter är ganska mycket "oundvikliga", så de hittade ett sätt att kontrollera dalstaterna även i närvaro av defekter. Genom att manipulera spänningen över punkten fann forskarna att de fysiskt kunde flytta punkten runt ytan den sitter på.
"Grindspänningarna gör att du kan flytta punkten över gränssnittet den sitter på med några nanometer, och genom att göra det ändrar du dess position i förhållande till egenskaper i atomär skala", säger Mark Eriksson, John Bardeen professor och ordförande för UW -Madison fysikavdelning, som arbetade med projektet. "Det förändrar energierna i daltillstånden på ett kontrollerbart sätt."
"Teget hem-budskapet i denna tidning," säger han, "är att energierna i daltillstånden inte bestäms för alltid när du väl gör en kvantprick. Vi kan ställa in dem, och det gör att vi kan göra bättre kvantbitar som kommer att skapa bättre kvantdatorer."
Byggar på akademisk expertis och branschexpertis
Värdmaterialen för kvantprickarna "odlas" med exakt lagersammansättning. Processen är extremt teknisk och Friesen konstaterar att Lisa Edge på HRL Laboratories är en världsexpert.
"Det krävs många decennier av kunskap för att kunna odla dessa enheter ordentligt", säger Friesen. "Vi har flera år av samarbete med HRL, och de är väldigt duktiga på att göra material av riktigt hög kvalitet tillgängliga för oss."
Arbetet drog också nytta av kunskapen från Susan Coppersmith, en teoretiker tidigare vid UW-Madison som flyttade till UNSW 2018. Eriksson säger att forskningens samverkan var avgörande för dess framgång.
"Det här arbetet, som ger oss mycket ny kunskap om hur man exakt kontrollerar dessa qubits, hade inte kunnat genomföras utan våra partners på HRL och UNSW", säger Eriksson. "Det finns en stark känsla av gemenskap inom kvantvetenskap och teknik, och det driver verkligen fältet framåt." + Utforska vidare
