En spin trio til stærk kobling

For at gøre qubits til kvantecomputere mindre modtagelige for støj, spin af en elektron eller en anden partikel anvendes fortrinsvis. Forskere ved ETH Zürich har nu udviklet en metode, der gør det muligt at koble en sådan spin-qubit stærkt til mikrobølgefotoner.

Kvantecomputere bruger kvantebits eller "qubits" til at udføre deres beregninger - kvantetilstande, det er, af atomer eller elektroner, der kan antage de logiske værdier "0" og "1" på samme tid. For at forbinde mange sådanne qubits til at lave en kraftfuld kvantecomputer, man skal koble dem til hinanden over afstande på millimeter eller endda flere meter. En måde at opnå dette på er ved at udnytte ladningsforskydningen forårsaget af en elektromagnetisk bølge, hvilket er arbejdsprincippet for en antenne. Sådan en kobling, imidlertid, udsætter også qubit'en for forstyrrelser på grund af uønskede elektriske felter, hvilket i høj grad begrænser kvaliteten af ​​de logiske qubit-operationer.

Et team af forskere, der arbejder i flere forskningsgrupper ved ETH Zürich, assisteret af teoretiske fysikere ved Sherbrooke University i Canada, har nu vist, hvordan dette problem kan undgås. For at gøre det, de fandt en måde at koble en mikrobølgefoton til en spin-qubit i en kvanteprik.

Qubits med ladning eller spin

I kvanteprikker, elektroner fanges først i halvlederstrukturer, der kun måler nogle få nanometer, og som afkøles til mindre end én grad over temperaturskalaens absolutte nul. De logiske værdier 0 og 1 kan nu realiseres på to forskellige måder. Man definerer enten en qubit i form af elektronens position på højre eller venstre side af en dobbelt kvanteprik, ellers ved elektronens spin, som kan pege op eller ned.

Det første tilfælde kaldes en ladningsqubit, som kobler stærkt til elektromagnetiske bølger gennem forskydning af elektrisk ladning. En spin qubit, på den anden side, kan visualiseres som en lille kompasnål, der peger op eller ned. Meget som en kompasnål, et spin er også magnetisk og, derfor, kobler ikke til elektriske, men snarere til magnetiske felter. Koblingen af ​​en spin-qubit til den magnetiske del af elektromagnetiske bølger, imidlertid, er meget svagere end en ladningsqubit til den elektriske del.

Tre spins for stærkere kobling

Det betyder at, på den ene side, en spin qubit er mindre modtagelig for støj og bevarer sin sammenhæng (som handlingen af ​​en kvantecomputer er baseret på) i længere tid. På den anden side, det er betydeligt sværere at koble spin-qubits til hinanden over lange afstande ved hjælp af fotoner. ETH-professor Klaus Ensslins forskningsgruppe bruger alligevel et trick til at muliggøre en sådan kobling, som post-doc Jonne Koski forklarer:"Ved at realisere qubitten med ikke bare et enkelt spin, men snarere tre af dem, vi kan kombinere fordelene ved en spin-qubit med fordelene ved en ladnings-qubit."

I praksis, dette gøres ved at producere tre kvanteprikker på en halvlederchip, der er tæt på hinanden og kan styres af spændinger, der påføres gennem bittesmå ledninger. I hver af kvanteprikkerne, elektroner med spin, der peger op eller ned, kan blive fanget. Derudover en af ​​ledningerne forbinder spintrioen med en mikrobølgeresonator. Spændingerne ved kvanteprikkerne er nu justeret for at have en enkelt elektron i hver kvanteprik, hvor to af elektronernes spin peger i samme retning, og det tredje spin peger i den modsatte retning.

Ladningsforskydning gennem tunnelering

Ifølge kvantemekanikkens regler, elektronerne kan også tunnelere frem og tilbage mellem kvanteprikkerne med en vis sandsynlighed. Det betyder, at to af de tre elektroner midlertidigt kan være i den samme kvanteprik, med en kvanteprik tom. I denne konstellation er den elektriske ladning nu ujævnt fordelt. Denne ladningsforskydning, på tur, giver anledning til en elektrisk dipol, der kan koble sig stærkt til det elektriske felt af en mikrobølgefoton.

Forskerne ved ETH var i stand til tydeligt at detektere den stærke kobling ved at måle resonansfrekvensen af ​​mikrobølgeresonatoren. De observerede, hvordan resonatorens resonans delte sig i to på grund af koblingen til spintrioen. Ud fra disse data kunne de udlede, at sammenhængen af ​​spin-qubit forblev intakt i mere end 10 nanosekunder.

Spin trioer til en kvantebus

Forskerne er sikre på, at det snart vil være muligt at realisere en kommunikationskanal for kvanteinformation mellem to spin-qubits ved hjælp af denne teknologi. "Dette vil kræve, at vi sætter spin-trioer på hver ende af mikrobølgeresonatoren og viser, at qubits derefter kobles til hinanden gennem en mikrobølgefoton", siger Andreas Landig, første forfatter til artiklen og ph.d. elev i Ensslins gruppe. Dette ville være et vigtigt skridt hen imod et netværk af rumligt fordelte spin-qubits. Forskerne understreger også, at deres metode er meget alsidig og ligetil kan anvendes på andre materialer såsom grafen.