Kvantetilstand for enkeltelektroner styret af surfing på lydbølger

Forskere har med succes brugt lydbølger til at styre kvanteinformation i en enkelt elektron, et vigtigt skridt i retning af effektiv, robuste kvantecomputere fremstillet af halvledere.

Det internationale hold, herunder forskere fra University of Cambridge, sendt højfrekvente lydbølger hen over en modificeret halvlederanordning for at styre adfærden hos en enkelt elektron, med effektiviseringer på over 99 procent. Resultaterne er rapporteret i journalen Naturkommunikation .

En kvantecomputer ville være i stand til at løse tidligere uløselige beregningsproblemer ved at drage fordel af den underlige opførsel af partikler i subatomær skala, og kvantefænomener som sammenfiltring og superposition. Imidlertid, præcist at kontrollere kvantepartiklers adfærd er en gigantisk opgave.

"Det, der ville gøre en kvantecomputer så stærk, er dens evne til at skalere eksponentielt, "sagde medforfatter Hugo Lepage, en ph.d. kandidat i Cambridge's Cavendish Laboratory, der udførte det teoretiske arbejde for det aktuelle studie. "I en klassisk computer, for at fordoble mængden af ​​information skal du fordoble antallet af bits. Men i en kvantecomputer, du skal kun tilføje endnu en kvantebit, eller qubit, at fordoble oplysningerne. "

Sidste måned, forskere fra Google hævdede at have nået 'kvanteoverherredømme', det punkt, hvor en kvantecomputer kan udføre beregninger ud over kapaciteten hos de mest kraftfulde supercomputere. Imidlertid, de kvantecomputere, som Google, IBM og andre udvikler er baseret på superledende sløjfer, som er komplekse kredsløb og ligesom alle kvante systemer, er meget skrøbelige.

"Den mindste udsving eller afvigelse vil ødelægge kvanteinformationen i sløjfernes faser og strømme, "sagde Lepage." Dette er stadig meget ny teknologi, og ekspansion ud over den mellemliggende skala kan kræve, at vi går ned til enkeltpartikelniveauet. "

I stedet for superledende sløjfer, kvanteoplysningerne i kvantecomputeren Lepage og hans kolleger udtænker at bruge elektronens 'spin' - dets iboende vinkelmoment, som kan være op eller ned - for at gemme kvanteinformation.

"Udnyttelse af spin for at drive en fungerende kvantecomputer er en mere skalerbar tilgang end at bruge superledning, og vi mener, at brug af spin kan føre til en kvantecomputer, der er langt mere robust, da spin -interaktioner er fastsat af naturlovene, "sagde Lepage.

Ved hjælp af spin gør det lettere at integrere kvanteinformationen med eksisterende systemer. Enheden udviklet i det nuværende arbejde er baseret på meget udbredte halvledere med nogle mindre ændringer.

Enheden, som blev testet eksperimentelt af Lepage's medforfattere fra Institut Néel, måler kun et par milliontedele af en meter lang. Forskerne lagde metalliske porte over en halvleder og påførte en spænding, som genererede et komplekst elektrisk felt. Forskerne dirigerede derefter højfrekvente lydbølger over enheden, får det til at vibrere og forvrænge, som et lille jordskælv. Når lydbølgerne formerer sig, de fanger elektronerne, skubber dem gennem enheden på en meget præcis måde, som om elektronerne 'surfer' på lydbølgerne.

Forskerne var i stand til at kontrollere adfærden af ​​en enkelt elektron med 99,5 procent effektivitet. "At styre en enkelt elektron på denne måde er allerede svært, men for at komme til et punkt, hvor vi kan have en fungerende kvantecomputer, vi skal kunne styre flere elektroner, som bliver eksponentielt sværere, da qubitterne begynder at interagere med hinanden, "sagde Lepage.

I de kommende måneder, forskerne vil begynde at teste enheden med flere elektroner, hvilket ville bringe en fungerende kvantecomputer endnu et skridt nærmere.