Kvanteberegning med huller

kvantecomputere, med deres løfter om at skabe nye materialer og løse vanskelige matematiske problemer, er en drøm for mange fysikere. Nu, de nærmer sig langsomt en levedygtig realisering i mange laboratorier over hele verden. Men der er stadig enorme udfordringer at mestre. En central er konstruktionen af ​​stabile kvantebits - den grundlæggende enhed for kvanteberegning, kaldet "qubit" for kort - som kan kobles sammen i netværk.

I en undersøgelse offentliggjort i Naturmaterialer og ledet af Daniel Jirovec fra Katsaros-gruppen ved IST Østrig i tæt samarbejde med forskere fra L-NESS Inter-university Center i Como, Italien, forskere har nu skabt et nyt og lovende kandidatsystem til pålidelige qubits.

Spinning Absence

Forskerne skabte qubit ved hjælp af spin af såkaldte huller. Hvert hul er simpelthen fraværet af en elektron i et fast materiale. Utroligt nok, en savnet, negativt ladet partikel kan fysisk behandles, som om det var en positivt ladet partikel. Den kan endda bevæge sig rundt i det faste stof, når en naboelektron fylder hullet. Dermed, effektivt, hullet beskrevet som positivt ladet partikel bevæger sig fremad.

Disse huller bærer endda den kvantemekaniske egenskab ved spin og kan interagere, hvis de kommer tæt på hinanden. "Vores kolleger hos L-NESS lagde flere forskellige blandinger af silicium og germanium på blot et par nanometer tykt oven på hinanden. Det giver os mulighed for at begrænse hullerne til det germaniumrige lag i midten, " forklarer Jirovec. "Ovenpå, vi tilføjede bittesmå elektriske ledninger – såkaldte porte – for at kontrollere hullernes bevægelse ved at sætte spænding på dem. De elektrisk positivt ladede huller reagerer på spændingen og kan flyttes ekstremt præcist rundt i deres lag."

Ved at bruge denne kontrol i nanoskala, forskerne flyttede to huller tæt på hinanden for at skabe en qubit ud af deres interagerende spins. Men for at få dette til at fungere, de skulle påføre et magnetfelt på hele opsætningen. Her, deres innovative tilgang kommer i spil.

Sammenkædning af Qubits

I deres opsætning, Jirovec og hans kolleger kan ikke kun flytte rundt på huller, men også ændre deres egenskaber. Ved at konstruere forskellige hulegenskaber, de skabte qubitten ud af de to interagerende hulspin ved hjælp af mindre end ti millitesla magnetisk feltstyrke. Dette er et svagt magnetfelt sammenlignet med andre lignende qubit-opsætninger, som beskæftiger mindst ti gange stærkere felter.

Men hvorfor er det relevant? "Ved at bruge vores lagdelte germanium-opsætning kan vi reducere den nødvendige magnetiske feltstyrke og derfor tillade kombinationen af ​​vores qubit med superledere, normalt hæmmet af stærke magnetiske felter, " siger Jirovec. Superledere - materialer uden nogen elektrisk modstand - understøtter sammenkædningen af ​​flere qubits på grund af deres kvantemekaniske natur. Dette kunne gøre det muligt for forskere at bygge nye slags kvantecomputere, der kombinerer halvledere og superledere.

Ud over de nye tekniske muligheder, disse hulspin-qubits ser lovende ud på grund af deres behandlingshastighed. Med op til hundrede millioner operationer i sekundet samt deres lange levetid på op til 150 mikrosekunder virker de særligt levedygtige til kvanteberegning. Som regel, der er en afvejning mellem disse ejendomme, men dette nye design bringer begge fordele sammen.