Udlæsning af qubits som dominobrikker:En ny skalerbar tilgang til kvantecomputeren

At skabe en kraftfuld, storstilet kvantecomputer afhænger af et smart design, således at mange qubits (byggestenen i en kvantecomputer) kan styres og udlæses. Forskere på QuTech, et samarbejde mellem TU Delft og TNO, har opfundet en ny udlæsningsmetode, der er et vigtigt skridt fremad på vejen mod en så storstilet kvantecomputer. De har offentliggjort deres resultater i Naturkommunikation i dag.

Som at vælte dominoer

"Vores nye udlæsningsmetode er baseret på et fænomen, som vi alle kender fra vores barndom:at vælte dominobrikker, sagde Sjaak van Diepen, Ph.d. forsker i Lieven Vandersypens gruppe og hovedforfatter på artiklen. "En første overgang udløser en anden overgang, en anden overgang udløser en tredje overgang, osv kvantecomputere:den med qubit-forbindelse (evnen til at forbinde mange qubits sammen).

Spin-qubits i quantum dot arrays

Vandersypens gruppes tilgang til at bygge en kvantecomputer er baseret på såkaldte spin-qubits i kvantepunkt-arrays. Kvanteprikker er meget små øer, der hver kan begrænse en eller flere elektroner og er tunnelkoblet til deres naboer. Elektronens spin fungerer som en qubit. Spin qubits i kvantepunkter læses op via en meget følsom detektor, der måler ladningen i sit miljø. Van Diepen:"Opladningssensorer fungerer godt, men kun lokalt:de skal være i umiddelbar nærhed af den afgift, de måler. Opskalering af den nuværende tilgang til et stort antal sammenkoblede qubits vil derfor begrænse qubit-forbindelse, fordi vi skulle placere sensorer tæt på alle qubits. "

Overførsel af kvanteinformation over en afstand

Det nye udlæsningsskema, som forskerne har opfundet, sikrer, at selv en spin-qubit langt væk fra ladningssensoren stadig vil blive udlæst med høj nøjagtighed. Tzu-Kan Hsiao, postdoc og anden forfatter til papiret:"Vores aflæsningsmetode er baseret på det faktum, at afgifter interagerer med hinanden. Derfor, en første ladningsovergang kan udløse andre ladningsovergange - der danner en kaskade af overgange."

Før en sådan kaskade af overgange kan forekomme, forskerne skal først sikre sig, at elektronerne bliver følsomme over for de overgange – ligesom dominobrikker skal sættes op, før de kan vælte. Van Diepen:"Vi udløser en første ladningsovergang gennem en metode kaldet spin-to-charge-konvertering, hvor en bestemt spin-tilstand vil føre til en ladningsovergang. Dette sætter gang i kaskaden af ​​overgange, giver os mulighed for at udlæse spindet af en ladning langt væk fra sensoren."

Forskerne håber, at andre forskningsgrupper og industri, der arbejder på udviklingen af ​​en kvantecomputer, vil have fordel af at implementere aflæsningsmetoden og bygge videre på deres fund. På denne måde, udfordringerne på vejen mod en storstilet kvantecomputer kan overvindes én efter én – ligesom dominobrikker.