Forskare från University of Basel och NCCR SPIN har uppnått den första kontrollerbara interaktionen mellan två hålspin-qubits i en konventionell kiseltransistor. Genombrottet öppnar för möjligheten att integrera miljontals av dessa qubits på ett enda chip med mogna tillverkningsprocesser.
Kapplöpet om att bygga en praktisk kvantdator är i full gång. Forskare runt om i världen arbetar med ett stort antal qubit-teknologier. Än så länge finns det ingen konsensus om vilken typ av qubit som är mest lämplig för att maximera potentialen för kvantinformationsvetenskap.
Qubits är grunden för en kvantdator:de hanterar bearbetning, överföring och lagring av data. För att fungera korrekt måste de både lagra och snabbt bearbeta information. Grunden för snabb informationsbehandling är stabila och snabba interaktioner mellan ett stort antal qubits vars tillstånd kan styras tillförlitligt utifrån.
För att en kvantdator ska vara praktisk måste miljontals kvantbitar rymmas på ett enda chip. De mest avancerade kvantdatorerna idag har bara några hundra qubits, vilket betyder att de bara kan utföra beräkningar som redan är möjliga (och ofta mer effektiva) på konventionella datorer.
För att lösa problemet med att arrangera och länka tusentals qubits, förlitar sig forskare vid University of Basel och NCCR SPIN på en typ av qubit som använder spinn (inboende vinkelmomentum) hos en elektron eller ett hål. Ett hål är i huvudsak en saknad elektron i en halvledare.
Både hål och elektroner har spinn, som kan anta ett av två tillstånd:uppåt eller nedåt, analogt med 0 och 1 i klassiska bitar. Jämfört med ett elektronsnurr har ett hålspinn fördelen att det kan styras helt elektriskt utan att behöva ytterligare komponenter som mikromagneter på chipet.
Redan 2022 kunde Basel-fysiker visa att hålet snurrar i en befintlig elektronisk enhet kan fångas och användas som qubits. Dessa "FinFETs" (finfälteffekttransistorer) är inbyggda i moderna smartphones och produceras i utbredda industriella processer. Nu har ett team under ledning av Dr. Andreas Kuhlmann för första gången lyckats uppnå en kontrollerbar interaktion mellan två qubits inom denna uppsättning.
En kvantdator behöver "kvantportar" för att utföra beräkningar. Dessa representerar operationer som manipulerar qubits och kopplar dem till varandra. Som forskarna rapporterar i tidskriften Nature Physics , kunde de koppla två qubits och åstadkomma en kontrollerad flip av en av deras snurr, beroende på tillståndet för den andras snurr – känd som en kontrollerad spin-flip.
"Hålsnurr tillåter oss att skapa två-qubit-grindar som är både snabba och högtrogna. Denna princip gör det nu också möjligt att koppla ett större antal qubit-par", säger Kuhlmann.
Kopplingen av två spin-qubits är baserad på deras utbytesinteraktion, som sker mellan två oskiljbara partiklar som interagerar med varandra elektrostatiskt. Överraskande nog är utbytesenergin för hål inte bara elektriskt styrbar, utan starkt anisotropisk. Detta är en konsekvens av spin-orbit-koppling, vilket innebär att spinntillståndet för ett hål påverkas av dess rörelse genom rymden.
För att beskriva denna observation i en modell, kombinerade experimentella och teoretiska fysiker vid universitetet i Basel och NCCR SPIN krafter. "Anisotropin gör två-qubit-grindar möjliga utan den vanliga avvägningen mellan hastighet och trohet", säger Dr. Kuhlmann.
"Qubits baserade på hålsnurr utnyttjar inte bara den beprövade tillverkningen av silikonchips, de är också mycket skalbara och har visat sig vara snabba och robusta i experiment." Studien understryker att detta tillvägagångssätt har en stor chans i kapplöpningen om att utveckla en storskalig kvantdator.
Mer information: Simon Geyer et al, Anisotropic exchange interaction of two hole-spin qubits, Nature Physics (2024). DOI:10.1038/s41567-024-02481-5
Journalinformation: Naturfysik
Tillhandahålls av University of Basel
