Konstnärsintryck av två elektronsnurr som pratar med varandra via en 'kvantmediator'. De två elektronerna är var och en fångade i en halvledarnanostruktur (kvantprick). De två snurren samverkar, och denna interaktion förmedlas av en tredje, tom kvantprick i mitten. I framtiden, koppling över större avstånd kan uppnås med hjälp av andra föremål däremellan för att förmedla interaktionen. Detta kommer att tillåta forskare att skapa tvådimensionella nätverk av kopplade snurr, som fungerar som kvantbitar i en framtida kvantdator. Upphovsrätt:Tremani/TU Delft.
De oöverträffade möjligheterna med kvantdatorer är för närvarande fortfarande begränsade eftersom informationsutbytet mellan bitarna i sådana datorer är svårt, speciellt över större avstånd. FOMs arbetsgruppsledare Lieven Vandersypen och hans kollegor inom forskningscentret QuTech och Kavli Institute for Nanosciences (Tekniska universitetet i Delft) har för första gången lyckats möjliggöra att två icke-grannliggande kvantbitar i form av elektronspin i halvledare kan kommunicera med varandra. De publicerar sin forskning den 10 oktober i Naturens nanoteknik .
Informationsutbyte är något som vi knappt tänker på nuförtiden. Människor kommunicerar ständigt via e-post, mobilmeddelandeapplikationer och telefonsamtal. Tekniskt, det är bitarna i de olika enheterna som pratar med varandra. "För en vanlig dator, detta utgör absolut inga problem, " säger professor Lieven Vandersypen. "Men, för kvantdatorn – som potentiellt är mycket snabbare än de nuvarande datorerna – är informationsutbytet mellan kvantbitar mycket komplext, speciellt över långa avstånd."
Elektroner pratar med varandra
Inom Vandersypens forskargrupp, Doktoranden Tim Baart och postdoc Takafumi Fujita arbetade med kommunikationen mellan kvantbitar. Varje bit består av en enda elektron med en spinnriktning (snurra upp ='0' och snurra ner ='1'). "Från tidigare forskning, vi visste att två närliggande elektronsnurr kan interagera med varandra, men att denna interaktion kraftigt minskar med ökande avstånd mellan dem, " säger Baart. " Vi har nu lyckats få två icke-grannliggande elektroner att kommunicera med varandra för första gången. För att uppnå detta, vi använde en kvantmediator:ett objekt som kan utbyta informationen mellan de två snurren över ett större avstånd."
Chipet med de elektriska kontakterna som används för att skapa kvantprickarna. Kredit:Tim Baart.
Medlare
Baart och Fujita placerade elektronerna i så kallade kvantprickar, där de hölls på plats av ett elektriskt fält. Mellan de två upptagna kvantprickarna, de placerade en tom kvantprick som kunde bilda en energibarriär mellan de två snurren. "Genom att justera det elektriska fältet runt den tomma kvantpunkten, vi skulle kunna göra det möjligt för elektronerna att utbyta sin spininformation via superutbytesmekanismen:när energibarriären sänks, spinninformationen utbyts, " säger Baart. "Detta gör att den tomma kvantpunkten fungerar som en typ av mediator för att göra interaktionen mellan kvantbitarna möjlig. Vidare, vi kan slå på och stänga av denna interaktion efter behag."
Snabb kvantdator
Vandersypens och Baarts forskning utgör ett viktigt steg i konstruktionen av en större kvantdator där kommunikationen mellan kvantbitar över stora avstånd är väsentlig. Nu när konceptet med denna kvantförmedlare har demonstrerats i praktiken, forskarna vill öka avståndet mellan elektronsnurr och placera andra typer av "mediatorer" mellan kvantbitarna också.
Tim Baart doktorerade den 23 maj 2016 för sin forskning om denna och andra teknologier. Hans forskning finansierades av Graduate Program of the Netherlands Organization for Scientific Research (NWO). För tillverkning av chipet, forskarna från Delft arbetade nära ETH i Zürich.
