Forskere måler elektronspin-qubit uden at ødelægge det

En gruppe forskere fra RIKEN Center for Emergent Matter Science i Japan er lykkedes med at tage gentagne målinger af en elektrons spin i en siliciumkvanteprik (QD) uden at ændre dens spin i processen. Denne type "ikke-nedrivnings"-måling er vigtig for at skabe kvantecomputere, der er fejltolerante. Kvantecomputere ville gøre det lettere at udføre visse klasser af beregninger, såsom mange-kropsproblemer, som er ekstremt vanskelige og tidskrævende for konventionelle computere. I det væsentlige, det involverer måling af en kvanteværdi, der aldrig er i en enkelt tilstand som en konventionel transistor, men eksisterer i stedet som en "overlejret tilstand" - på samme måde som Schrodingers berømte kat ikke kan siges at være levende eller død, før den er observeret. Ved at bruge sådanne systemer, det er muligt at udføre beregninger med en qubit, der er en overlejring af to værdier, og afgør derefter statistisk, hvad det korrekte resultat er. Kvantecomputere, der bruger enkelt elektronspin i silicium QD'er, ses som attraktive på grund af deres potentielle skalerbarhed, og fordi silicium allerede er meget brugt i elektronikteknologi.

Den vigtigste vanskelighed med at udvikle kvantecomputere, imidlertid, er, at de er meget følsomme over for ekstern støj, gør fejlretning kritisk. Indtil nu, Forskere har haft held med at udvikle enkelt elektronspin i silicium QD'er med lang informationsopbevaringstid og højpræcisions kvantedrift, men kvantemåling uden nedrivning – en nøgle til effektiv fejlkorrektion – har vist sig at være uhåndgribelig. Den konventionelle metode til at udlæse enkelte elektronspin i silicium er at omdanne spins til ladninger, der hurtigt kan detekteres, men desværre, elektronspin påvirkes af detektionsprocessen.

Nu, i forskning offentliggjort i Naturkommunikation , RIKEN-teamet har opnået en sådan ikke-nedrivningsmåling. Den vigtigste indsigt, der gjorde det muligt for gruppen at gøre fremskridt, var at bruge interaktionsmodellen af ​​Ising-typen - en model for ferromagnetisme, der ser på, hvordan elektronspindene fra naboatomer bliver justeret, fører til dannelsen af ​​ferromagnetisme i hele gitteret. I det væsentlige, de var i stand til at overføre spin-informationen - op eller ned - af en elektron i en QD til en anden elektron i den tilstødende QD ved hjælp af Ising-typens interaktion i et magnetfelt, og derefter kunne måle naboens spin ved hjælp af den konventionelle metode, så de kunne lade det oprindelige spin være upåvirket, og kunne foretage gentagne og hurtige målinger af naboen.

"Igennem dette, " forklarer koncerndirektør Seigo Tarucha, der ledede forskningsgruppen, "vi var i stand til at opnå en troskabsprocent på 99 % uden nedrivning, og ved at bruge gentagne målinger ville få en udlæsningsnøjagtighed på 95%. Vi har også vist, at teoretisk, dette kunne øges til 99,6 %, og planlægger at fortsætte arbejdet for at nå det niveau."

Han fortsætter, "Det er meget spændende, fordi hvis vi kan kombinere vores arbejde med high-fidelity single- og to-qubit-gates, som er under udvikling, vi kunne potentielt bygge en række fejltolerante kvanteinformationsbehandlingssystemer ved hjælp af en siliciumkvanteprikplatform."