Forskere styrker kvantebyggesten i milepæl, der er kritiske for skalering

En gruppe internationale videnskabsmænd har væsentligt forlænget varigheden af ​​tid, som en spin-orbit qubit i silicium kan opbevare kvanteinformation i, åbner en ny vej for at gøre kvantecomputere af silicium mere skalerbare og funktionelle.

Spin-orbit qubits er blevet undersøgt i over et årti som en mulighed for at skalere antallet af qubits i en kvantecomputer, da de er lette at manipulere og parre over lange afstande. Imidlertid, de har altid vist meget begrænsede sammenhængstider, alt for kort til kvanteteknologier.

Undersøgelsen offentliggjort i dag i Naturmaterialer viser, at lange sammenhængstider er mulige, når spin-orbit-kobling er stærk nok. Faktisk, forskerne demonstrerede sammenhængstider 10, 000 gange længere end tidligere registreret for spin-orbit qubits, hvilket gør dem til en ideel kandidat til opskalering af kvantecomputere med silicium.

"Vi vendte den konventionelle visdom på hovedet ved at demonstrere usædvanligt lange sammenhængstider - ~ 10 millisekunder - og derfor, at spin-orbit qubits kan være bemærkelsesværdigt robuste, "siger UNSW -professor Sven Rogge, chefefterforsker, Center for kvanteberegning og kommunikationsteknologi (CQC2T), der ledede forskergruppen.

Stærk kobling er nøglen

Hvor stabil en qubit er, bestemmer den tid, den kan bevare kvanteinformation til.

I spin-orbit-qubits lagres information om elektronens spin såvel som dens bevægelse - hvordan den 'kredser' om atomer i chippens gitter. Det er styrken ved koblingen mellem disse to spins, der holder qubit stabil og mindre tilbøjelig til at blive ødelagt af elektrisk støj i enheder.

"Kvantinformationen i de fleste spin-orbit qubits er ekstremt skrøbelig. Vores spin-orbit qubit er speciel, fordi kvanteinformation gemt i den er meget robust, "siger hovedforfatter Dr. Takashi Kobayashi, der udførte forskningen ved UNSW og nu er på Tohoku University.

"Informationen er lagret i orienteringen af ​​elektronens spin og kredsløb, ikke kun spin. Den ladede elektrones og spinets cirkulære kredsløb låses sammen som tandhjul på grund af den meget stærke tiltrækning i spin-orbit-koblingen.

"Forøgelse af styrken i denne spin-orbit-kobling giver os mulighed for at opnå de betydeligt længere sammenhængstider, vi har offentliggjort i dag."

Engineering længere sammenhængstider

For at øge sammenhængstiden, forskerne skabte først spin-orbit qubits ved at indføre urenheder, kaldet acceptor dopantatomer, i en siliciumkrystal. Holdet modificerede derefter belastningen i chipens siliciumgitterstruktur for at generere forskellige niveauer af spin-orbit-kobling.

"Krystallen er speciel, fordi den kun indeholder isotopen af ​​silicium uden nuklear spin. Dette eliminerer magnetisk støj, og fordi det er anstrengt følsomhed over for elektrisk støj er også reduceret. "siger Kobayashi.

"Vores chip blev fastgjort til et materiale, der ved en lav temperatur strækker silicium ud-som et gummibånd. Ved at strække gitteret til den korrekte spænding fik vi mulighed for at indstille spin-orbit-koblingen til den optimale værdi."

Slutresultatet producerede sammenhængstider over 10, 000 gange længere end tidligere fundet i spin-orbit qubits.

Det betyder, at kvanteinformation bevares meget længere, gør det muligt at udføre mange flere operationer-en vigtig springbræt til opskalering af kvantecomputere.

Opskalering med spin-orbit kobling

For at en kvantecomputer overgår en klassisk computer, et stort antal qubits skal arbejde sammen for at udføre komplekse beregninger.

"Stabiliteten af ​​vores spin-orbit qubit til elektriske felter er unik, beviser en robust ny vej til at lave skalerbare kvantecomputere. "siger medforfatter Joe Salfi, der udførte forskningen på CQC2T og nu er ved University of British Columbia.

Fundet muliggør i sidste ende nye måder at manipulere individuelle qubits og kobling qubits over meget større afstande, hvilket vil gøre chipfremstillingsprocessen mere fleksibel.

Den elektriske interaktion tillader også kobling til andre kvantesystemer, åbne mulighederne for hybrid kvantesystemer.

Tidligere forskning offentliggjort i Videnskab fremskridt af UNSW-teamet viste spin-orbit-kobling i silicium giver mange fordele ved at skalere op til et stort antal qubits.

"Spins i silicium er meget attraktive for skalerbare kvanteinformationsenheder, fordi de er stabile og kompatible med nuværende computerbehandlingsteknikker, gør disse enheder lette at fremstille, «siger prof. Rogge.

"Nu hvor vi har vist lange sammenhængstider, spin-orbit qubits gør en stærk kandidat til en storskala kvanteprocessor i silicium. "