Realisering af rene qubits til kvantecomputere ved hjælp af elektroner på helium

Fremtidige kvantecomputere kunne være baseret på elektroner, der svæver over flydende helium, ifølge en undersøgelse foretaget af en RIKEN-fysiker og samarbejdspartnere, der vises i Physical Review Applied .

Nutidens computere er baseret på at shuttle elektroner rundt i silicium. Elektroner i silicium kunne også danne grundlag for en helt anden race af computere - kvantecomputere. Talrige bestræbelser er i gang for at realisere kvantecomputere, der bruger elektroner i forskellige solid-state krystaller, startende med silicium.

Ved at udnytte kvantenaturen af ​​bittesmå objekter lover kvantecomputere at revolutionere computing ved at løse problemer, der er vanskelige at løse ved hjælp af de mest kraftfulde supercomputere, der findes i dag.

Selvom bestræbelserne på at skabe qubits ved hjælp af elektroner i faststofkrystaller har opnået betydelig succes, er det en udfordring at øge antallet af qubits (kvanteækvivalenten af ​​bits), fordi defekter og urenheder i faststofkrystaller skaber uforudsigelige elektriske potentialer, hvilket gør det vanskeligt at producere mange ensartede qubits.

En måde at overvinde dette problem på ville være at bruge elektroner, der flyder i et vakuum som qubits, da vakuum er fejlfrit.

"Solid state krystaller vil altid have nogle defekter, hvilket betyder, at vi ikke kan skabe et perfekt miljø for elektroner," siger Erika Kawakami fra RIKEN Center for Quantum Computing. "Det er problematisk, hvis vi vil skabe en masse ensartede qubits. Så det er bedre at have qubits i vakuum."

I 1999 foreslog forskere teoretisk at realisere qubits baseret på elektroner, der flyder på flydende helium for første gang. I dette fysiske system flyder elektroner i vakuum lidt over overfladen af ​​flydende helium. Dette var et banebrydende forslag, men det var begrænset til kvanteportes grundlæggende operationer, fordi kvantecomputerforskning stadig var i sin vorden.

Nu har holdet i et teoretisk studie vist, hvordan kvanteportene kan realiseres mere konkret ved hjælp af elektroner, der svæver over flydende helium.

Centralt for deres forslag er en hybrid qubit, der involverer den vertikalt kvantificerede ladningstilstand og spintilstanden af ​​en flydende elektron. Elektronens ladetilstand gør det nemt at manipulere over moderate afstande ved hjælp af et elektrisk felt, mens spintilstanden kan bruges til stabilt at lagre data. Interaktionen mellem elektronens spin- og ladningstilstande gør det muligt at overføre data mellem de to elektronegenskaber.

"Vi har foreslået, hvordan man kan realisere en-qubit- og to-qubit-gates ved hjælp af elektroner på helium og estimeret deres troskaber," siger Kawakami. "Vi har også specificeret, hvordan vi kan skalere antallet af qubits op. Det er noget nyt."

Deres system bruger en række små ferromagnetiske søjler til at fange elektroner over helium. Det burde være muligt at presse mere end 10 millioner qubits ind i et område på størrelse med et frimærke.

Holdet har nu til hensigt at omfavne udfordringen med at implementere deres forslag eksperimentelt.

Flere oplysninger: Erika Kawakami et al, Blueprint for quantum computing ved hjælp af elektroner på helium, Physical Review Applied (2023). DOI:10.1103/PhysRevApplied.20.054022. På arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2303.03688

Journaloplysninger: Fysisk gennemgang anvendt , arXiv

Leveret af RIKEN