Fysikere udtænker en ny tilgang til manipulation af silicium qubits

Under deres research til et nyt papir om kvanteberegning, HongWen Jiang, en UCLA professor i fysik, og Joshua Schoenfield, en kandidatstuderende i sit laboratorium, løb ind i et tilbagevendende problem:De var så begejstrede for de fremskridt, de gjorde, at da de loggede ind hjemmefra til deres UCLA -skrivebord - hvilket kun tillader en bruger ad gangen - slog de to forskere gentagne gange hinanden fra fjernforbindelsen.

Årsagen til deres entusiasme:Jiang og hans team skabte en måde at måle og kontrollere energiforskelle i elektrondalstater i siliciumkvantepunkter, som er en nøglekomponent i kvanteberegningsforskning. Teknikken kunne bringe kvanteberegning et skridt tættere på virkeligheden.

"Det er så spændende, " sagde Jiang, medlem af California NanoSystems Institute. "Vi ville ikke vente til næste dag med at finde ud af resultatet."

Quantum computing kunne muliggøre kodning af mere kompleks information på meget mindre computerchips, og det lover et hurtigere, mere sikker problemløsning og kommunikation, end nutidens computere tillader.

I standardcomputere, de grundlæggende komponenter er switches kaldet bits, som bruger 0'erne og 1'erne til at angive, at de er slukket eller tændt. Byggestenene i kvantecomputere, på den anden side, er kvantebits, eller qubits.

UCLA -forskernes gennembrud var at være i stand til at måle og kontrollere en bestemt tilstand af en silicium -kvantepunkt, kendt som en dalstat, en væsentlig egenskab ved qubits. Undersøgelsen blev offentliggjort i Naturkommunikation .

"En individuel qubit kan eksistere i en kompleks bølgelignende blanding af tilstanden 0 og tilstanden 1 på samme tid, "sagde Schoenfield, papirets første forfatter. "For at løse problemer, qubits skal forstyrre hinanden som krusninger i en dam. Så det er vigtigt at kontrollere alle aspekter af deres bølgelignende natur. "

Kvantumpunkter i silicium er små, elektrisk begrænsede områder af silicium, kun snesevis af nanometer på tværs, der kan fange elektroner. De bliver undersøgt af Jiangs laboratorium - og af forskere rundt om i verden - for deres mulige brug i kvanteberegning, fordi de gør det muligt for forskere at manipulere elektroners spin og ladning.

Udover elektroners spin og ladning, en anden af ​​deres vigtigste egenskaber er deres "daltilstand, "som angiver, hvor en elektron vil bosætte sig i det ikke-flade energilandskab i siliciums krystallinske struktur. Daltilstanden repræsenterer et sted i elektronens momentum, i modsætning til en egentlig fysisk placering.

Forskere har først for nylig indset, at kontrol af dalstater er afgørende for kodning og analyse af siliciumbaserede qubits, fordi selv de mindste ufuldkommenheder i en siliciumkrystal kan ændre dalens energier på uforudsigelige måder.

"Forestil dig at stå på toppen af ​​et bjerg og se ned til venstre og højre, bemærker, at dalene på hver side ser ud til at være de samme, men ved at den ene dal kun var 1 centimeter dybere end den anden, "sagde Blake Freeman, en UCLA-kandidatstuderende og medforfatter af undersøgelsen. "I kvantefysikken, selv den lille forskel er ekstremt vigtig for vores evne til at kontrollere elektroners spin- og ladningstilstande. "

Ved normale temperaturer, elektroner hopper rundt, hvilket gør det svært for dem at hvile i det laveste energipunkt i dalen. Så for at måle den lille energiforskel mellem to dalstater, UCLA -forskerne anbragte kvantepunkter i silicium inde i et kølekammer ved en temperatur nær absolut nul, som tillod elektronerne at slå sig ned. Ved at skyde hurtige elektriske spændinger gennem dem, forskerne var i stand til at flytte enkelte elektroner ind og ud af dalene. Den lille forskel i energi mellem dalene blev bestemt ved at observere hastigheden af ​​elektronens hurtige skift mellem dalstater.

Efter at have manipuleret elektronerne, forskerne kørte en nanotrådssensor meget tæt på elektronerne. Måling af trådens modstand gjorde det muligt for dem at måle afstanden mellem en elektron og ledningen, hvilket igen satte dem i stand til at bestemme hvilken dal elektronen besatte.

Teknikken muliggjorde også forskerne, for første gang, at måle den ekstremt lille energiforskel mellem de to dale - hvilket havde været umuligt ved at bruge nogen anden eksisterende metode.

I fremtiden, forskerne håber at bruge mere sofistikerede spændingsimpulser og enhedsdesign til at opnå fuld kontrol over flere interagerende dalbaserede qubits.

"Drømmen er at have en række hundrede eller tusinder af qubits, der alle arbejder sammen for at løse et vanskeligt problem, "Schoenfield sagde." Dette arbejde er et vigtigt skridt i retning af at realisere denne drøm. "