Framtida kvantdatorer kan baseras på elektroner som flyter över flytande helium, enligt en studie av en RIKEN-fysiker och medarbetare, som visas i Physical Review Applied .

Dagens datorer bygger på att skjuta runt elektroner i kisel. Elektroner i kisel skulle också kunna utgöra grunden för en helt annan sorts datorer – kvantdatorer. Många ansträngningar pågår för att realisera kvantdatorer som använder elektroner i olika fasta kristaller, med början i kisel.

Genom att utnyttja kvantnaturen hos små objekt lovar kvantdatorer att revolutionera datoranvändningen genom att lösa problem som är svårlösta med hjälp av de mest kraftfulla superdatorerna som finns tillgängliga idag.

Även om ansträngningar att skapa qubits med hjälp av elektroner i solid state kristaller har nått betydande framgång, är det en utmaning att öka antalet qubits (kvantekvivalenten av bitar) eftersom defekter och föroreningar i solid state kristaller skapar oförutsägbara elektriska potentialer, vilket gör det svårt att producera många enhetliga qubits.

Ett sätt att övervinna detta problem skulle vara att använda elektroner som flyter i ett vakuum som qubits, eftersom vakuum är defektfritt.

"Kristaller i fast tillstånd kommer alltid att ha vissa defekter, vilket betyder att vi inte kan skapa en perfekt miljö för elektroner", säger Erika Kawakami från RIKEN Center for Quantum Computing. "Det är problematiskt om vi vill skapa många enhetliga qubits. Så det är bättre att ha qubits i vakuum."

1999 föreslog forskare teoretiskt att man skulle realisera qubits baserade på elektroner som flyter på flytande helium för första gången. I detta fysiska system flyter elektroner i vakuum något ovanför ytan av flytande helium. Detta var ett banbrytande förslag, men det var begränsat till grundläggande funktioner för kvantportar eftersom kvantdatorforskning fortfarande var i sin linda.

Nu, i en teoretisk studie, har teamet visat hur kvantportarna kan realiseras mer konkret med hjälp av elektroner som flyter över flytande helium.

Centralt i deras förslag är en hybrid qubit som involverar det vertikalt kvantiserade laddningstillståndet och spinntillståndet för en flytande elektron. Elektronens laddningstillstånd gör att den enkelt kan manipuleras över måttliga avstånd med hjälp av ett elektriskt fält, medan spinntillståndet kan användas för att stabilt lagra data. Interaktionen mellan elektronens spinn- och laddningstillstånd gör att data kan överföras mellan de två elektronegenskaperna.

"Vi har föreslagit hur man realiserar en-qubit- och två-qubit-grindar med hjälp av elektroner på helium och uppskattat deras trohet", säger Kawakami. "Vi har också specificerat hur vi kan skala upp antalet qubits. Det är något nytt."

Deras system använder en rad små ferromagnetiska pelare för att fånga elektroner ovanför helium. Det borde vara möjligt att pressa in mer än 10 miljoner qubits i ett område lika stort som ett frimärke.

Teamet avser nu att anamma utmaningen att implementera sitt förslag experimentellt.

Mer information: Erika Kawakami et al, Blueprint for quantum computing using elektrons on helium, Physical Review Applied (2023). DOI:10.1103/PhysRevApplied.20.054022. På arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2303.03688

Journalinformation: Fysisk granskning tillämpad , arXiv

Tillhandahålls av RIKEN