Silicon giver midler til at styre kvantebits til hurtigere algoritmer

Quantum bits er nu lettere at manipulere for enheder inden for quantum computing, takket være forbedret spin-orbit-interaktion i silicium.

En silicium kvantecomputerchip har potentiale til at indeholde millioner af kvantebit, eller qubits, til meget hurtigere informationsbehandling end med bitene på nutidens computere. Dette oversættes til højhastighedsdatabasesøgninger, bedre cybersikkerhed og yderst effektiv simulering af materialer og kemiske processer.

Nu, forskergrupper fra Purdue University, det teknologiske universitet i Delft, Holland og University of Wisconsin-Madison har opdaget, at silicium har unikke spin-orbit-interaktioner, der kan muliggøre manipulation af qubits ved hjælp af elektriske felter, uden behov for kunstige midler.

"Qubits, der er kodet i elektronernes omdrejninger, har især lang levetid i silicium, men de er svære at kontrollere ved elektriske felter. Spin-bane-interaktion er en vigtig drejeknap til design af qubits, der menes at være lille i dette materiale, traditionelt, " sagde Rajib Rahman, forskningsassistent professor på Purdues School of Electrical and Computer Engineering.

Styrken ved spin-orbit-interaktion, som er interaktionen mellem en elektron -spin og dens bevægelse, er en vigtig faktor for kvaliteten af ​​en qubit. Forskerne fandt mere fremtrædende spin-orbit-interaktion end normalt på overfladen af ​​silicium, hvor qubits er placeret i form af såkaldte kvantepunkter-elektroner begrænset i tre dimensioner. Rahmans laboratorium identificerede, at denne spin-orbit-interaktion er anisotrop i naturen-hvilket betyder, at den er afhængig af vinklen på et eksternt magnetfelt-og stærkt påvirket af atomets detaljer på overfladen.

"Denne anisotropi kan anvendes til enten at forstærke eller minimere styrken af ​​spin-kredsløb-interaktionen, "sagde Rifat Ferdous, hovedforfatter af dette værk og en Purdue-uddannet forskningsassistent i el- og computerteknik. Spin-bane-interaktion påvirker derefter qubits.

"Hvis der er en stærk spin-kredsløbsinteraktion, qubits levetid er kortere, men du kan lettere manipulere den. Det modsatte sker med en svag spin-orbit-interaktion:Qubitens levetid er længere, men manipulation er vanskeligere, "Sagde Rahman.

Forskerne offentliggjorde deres resultater den 5. juni i Nature Partner Journals—Quantum Information. Wisconsin-Madison-teamet fremstillede siliciumenheden, Delft-holdet udførte eksperimenterne, og Purdue-holdet ledede den teoretiske undersøgelse af de eksperimentelle observationer. Dette arbejde understøttes af Army Research Office, Det amerikanske energiministerium, National Science Foundation og European Research Council.

Kommende arbejde i Rahmans laboratorium vil fokusere på at udnytte den anisotropiske karakter af spin-orbit-interaktioner for yderligere at forbedre sammenhæng og kontrol af qubits, og, derfor, opskalering af kvantecomputerchips.