Tværinstitutionelt samarbejde fører til ny kontrol over quantum dot qubits

Qubits er byggestenene i kvantecomputere, som har potentialet til at revolutionere mange forskningsfelter ved at løse problemer, som klassiske computere ikke kan.

Men at skabe qubits, der har den perfekte kvalitet, der er nødvendig for kvanteberegning, kan være udfordrende.

Forskere ved University of Wisconsin-Madison, HRL Laboratories LLC og University of New South Wales (UNSW) samarbejdede om et projekt for bedre at kontrollere siliciumkvanteprikker, hvilket muliggjorde fremstilling af højere kvalitet og brug i bredere applikationer. Alle tre institutioner er tilknyttet Chicago Quantum Exchange. Værket blev offentliggjort i Physical Review Letters , og hovedforfatteren, J. P. Dodson, er for nylig skiftet fra UW–Madison til HRL.

"Konsistens er det, vi leder efter her," siger Mark Friesen, Distinguished Scientist of Physics ved UW-Madison og forfatter på papiret. "Vores påstand er, at der faktisk er håb om at skabe en meget ensartet række af prikker, der kan bruges som qubits."

Følsomme kvantetilstande

Mens klassiske computerbits bruger elektriske kredsløb til at repræsentere to mulige værdier (0 og 1), bruger qubits to kvantetilstande til at repræsentere 0 og 1, hvilket giver dem mulighed for at drage fordel af kvantefænomener som superposition til at udføre kraftige beregninger.

Qubits kan konstrueres på forskellige måder. En måde at bygge en qubit på er ved at fremstille en kvanteprik, eller et meget, meget lille bur til elektroner, dannet i en siliciumkrystal. I modsætning til qubits lavet af enkelte atomer, som alle er naturligt identiske, er quantum dot qubits menneskeskabte – hvilket gør det muligt for forskere at tilpasse dem til forskellige applikationer.

Men en almindelig skruenøgle i de metaforiske gear af disse silicium-qubits er konkurrence mellem forskellige slags kvantetilstande. De fleste qubits bruger "spin-tilstande" til at repræsentere 0 og 1, som er afhængige af en unik kvanteegenskab kaldet spin. Men hvis qubitten har andre slags kvantetilstande med lignende energier, kan disse andre tilstande interferere, hvilket gør det vanskeligt for videnskabsmænd at bruge qubitten effektivt.

I siliciumkvanteprikker er de tilstande, der oftest konkurrerer med dem, der er nødvendige til beregning, "daltilstande", opkaldt efter deres placeringer på en energigraf – de findes i grafens "dale".

For at have den mest effektive kvantepunkt-qubit skal prikkens daltilstande styres således, at de ikke interfererer med de kvanteinformationsbærende spintilstande. Men dalstaterne er yderst følsomme; kvanteprikkerne sidder på en flad overflade, og hvis der overhovedet er et ekstra atom på overfladen under kvanteprikken, ændres energierne i daltilstandene.

Undersøgelsens forfattere siger, at disse former for enkeltatomdefekter stort set er "uundgåelige", så de fandt en måde at kontrollere dalstaterne selv i nærvær af defekter. Ved at manipulere spændingen over prikken fandt forskerne ud af, at de fysisk kunne flytte prikken rundt på overfladen, den sidder på.

"Gate-spændingerne giver dig mulighed for at flytte prikken hen over grænsefladen, den sidder på, med nogle få nanometer, og ved at gøre det ændrer du dens position i forhold til atomare skala funktioner," siger Mark Eriksson, John Bardeen professor og formand for UW -Madison fysikafdeling, som arbejdede på projektet. "Det ændrer energierne i daltilstande på en kontrollerbar måde."

"Hjem-budskabet i dette papir," siger han, "er, at energierne i daltilstandene ikke er bestemt for evigt, når først du laver en kvanteprik. Vi kan tune dem, og det giver os mulighed for at lave bedre qubits, der vil skabe bedre kvantecomputere."

Bygger på akademisk og brancheekspertise

Værtsmaterialerne til kvanteprikkerne er "dyrket" med præcis lagsammensætning. Processen er ekstremt teknisk, og Friesen bemærker, at Lisa Edge hos HRL Laboratories er en verdensekspert.

"Det kræver mange årtiers viden at kunne dyrke disse enheder ordentligt," siger Friesen. "Vi har flere års samarbejde med HRL, og de er meget gode til at stille materialer af virkelig høj kvalitet til rådighed for os."

Arbejdet drager også fordel af viden fra Susan Coppersmith, en teoretiker tidligere ved UW-Madison, som flyttede til UNSW i 2018. Eriksson siger, at forskningens kollaborative karakter var afgørende for dens succes.

"Dette arbejde, som giver os en masse ny viden om, hvordan man præcist kontrollerer disse qubits, kunne ikke have været udført uden vores partnere hos HRL og UNSW," siger Eriksson. "Der er en stærk følelse af fællesskab inden for kvantevidenskab og -teknologi, og det skubber virkelig feltet fremad." + Udforsk yderligere

Forskere demonstrerer fejlkorrektion i et silicium-qubit-system