Elektrisk omskiftelig qubit kan tune mellem lagring og hurtige beregningstilstande

For at udføre beregninger, kvantecomputere har brug for qubits for at fungere som elementære byggeklodser, der behandler og lagrer information. Nu, fysikere har produceret en ny type qubit, der kan skiftes fra en stabil tomgangstilstand til en hurtig beregningstilstand. Konceptet ville også tillade et stort antal qubits at blive kombineret til en kraftfuld kvantecomputer, som forskere fra universitetet i Basel og TU Eindhoven har rapporteret i tidsskriftet Natur nanoteknologi.

Sammenlignet med konventionelle bits, kvantebits (qubits) er meget mere skrøbelige og kan miste deres informationsindhold meget hurtigt. Udfordringen for kvanteberegning er derfor at holde de følsomme qubits stabile over en længere periode, samtidig med at man finder måder at udføre hurtige kvanteoperationer. Nu, fysikere fra universitetet i Basel og TU Eindhoven har udviklet en omskiftelig qubit, der skal gøre det muligt for kvantecomputere at gøre begge dele.

Den nye type qubit har en stabil, men langsom tilstand, der er velegnet til lagring af kvanteinformation. Imidlertid, forskerne var også i stand til at skifte qubit til en meget hurtigere, men mindre stabil manipulationstilstand ved at anvende en elektrisk spænding. I denne tilstand, qubits kan bruges til at behandle information hurtigt.

Selektiv kobling af individuelle spins

I deres eksperiment, forskerne skabte qubits i form af 'hulspin'. Disse dannes, når en elektron bevidst fjernes fra en halvleder, og det resulterende hul har et spin, der kan antage to tilstande, op og ned - analogt med værdierne 0 og 1 i klassiske bits. I den nye type qubit, disse spins kan kobles selektivt - via en foton, for eksempel - til andre spins ved at indstille deres resonansfrekvenser.

Denne evne er afgørende, da konstruktionen af ​​en kraftig kvantecomputer kræver evnen til selektivt at kontrollere og sammenkoble mange individuelle qubits. Skalerbarhed er især nødvendig for at reducere fejlprocenten i kvanteberegninger.

Ultrahurtig spin manipulation

Forskerne var også i stand til at bruge den elektriske kontakt til at manipulere spin-qubits med rekordhastighed. "Spinningen kan vendes sammenhængende fra op til ned på så lidt som et nanosekund, " siger projektleder professor Dominik Zumbühl fra Institut for Fysik ved Universitetet i Basel. "Det ville tillade op til en milliard switches i sekundet. Spin qubit-teknologien nærmer sig derfor allerede nutidens konventionelle computers clockhastigheder."

For deres eksperimenter, forskerne brugte en halvleder nanotråd lavet af silicium og germanium. Produceret på TU Eindhoven, ledningen har en lille diameter på omkring 20 nanometer. Da qubit derfor også er ekstremt lille, det burde i princippet være muligt at inkorporere millioner eller endda milliarder af disse qubits på en chip.