Ett all-RIKEN-team har ökat antalet kiselbaserade spin-qubits som kan trasslas in från två till tre, belysa potentialen hos spin-qubits för att realisera multi-qubit-kvantalgoritmer.

Kvantdatorer har potential att lämna konventionella datorer i dammet när de utför vissa typer av beräkningar. De är baserade på kvantbitar, eller qubits, kvantekvivalenten till de bitar som konventionella datorer använder.

Även om det är mindre moget än vissa andra qubit-tekniker, små kiselklumpar kända som kiselkvantprickar har flera egenskaper som gör dem mycket attraktiva för att realisera qubits. Dessa inkluderar långa koherenstider, högfientlig elektrisk kontroll, hög temperaturdrift och stor potential för skalbarhet. Dock, för att på ett användbart sätt ansluta flera kiselbaserade spin-qubits, det är avgörande att kunna trassla in mer än två qubits, en bedrift som hade undgått fysiker fram till nu.

Seigo Tarucha och fem kollegor, allt på RIKEN Center for Emergent Matter Science, har nu initierat och mätt en tre-qubit-array i kisel med hög tillförlitlighet (sannolikheten att en qubit är i det förväntade tillståndet). De kombinerade också de tre intrasslade qubitarna i en enda enhet.

Denna demonstration är ett första steg mot att utöka kapaciteten hos kvantsystem baserade på spin qubits. "Två-qubit-operation är tillräckligt bra för att utföra grundläggande logiska beräkningar, " förklarar Tarucha. "Men ett tre-qubit-system är den minsta enheten för att skala upp och implementera felkorrigering."

Teamets enhet bestod av en trippel kvantprick på en heterostruktur av kisel/kisel-germanium och styrs genom aluminiumgrindar. Varje kvantprick kan vara värd för en elektron, vars spin-up och spin-down tillstånd kodar en qubit. En magnet på chip genererar en magnetfältsgradient som separerar resonansfrekvenserna för de tre qubitarna, så att de kan behandlas individuellt.

Forskarna intrasslade först två av qubits genom att implementera en två-qubit gate - en liten kvantkrets som utgör byggstenen för kvantberäkningsenheter. De realiserade sedan tre-qubit-entanglement genom att kombinera den tredje qubiten och grinden. Det resulterande tre-qubit-tillståndet hade en anmärkningsvärt hög tillståndstrohet på 88 %, och var i ett intrasslat tillstånd som kunde användas för felkorrigering.

Denna demonstration är bara början på en ambitiös forskningskurs som leder till en storskalig kvantdator. "Vi planerar att demonstrera primitiv felkorrigering med hjälp av tre-qubit-enheten och att tillverka enheter med tio eller fler qubits, " säger Tarucha. "Vi planerar sedan att utveckla 50 till 100 qubits och implementera mer sofistikerade felkorrigeringsprotokoll, banar väg för en storskalig kvantdator inom ett decennium."