En tre-qubit entangled-tilstand er blevet realiseret i en fuldt kontrollerbar række af spin-qubits i silicium

Et all-RIKEN-team har øget antallet af siliciumbaserede spin-qubits, der kan vikles fra to til tre, fremhæve potentialet af spin qubits til at realisere multi-qubit kvantealgoritmer.

Kvantecomputere har potentialet til at efterlade konventionelle computere i støvet, når de udfører visse typer beregninger. De er baseret på kvantebits, eller qubits, kvanteækvivalenten til de bits, som konventionelle computere bruger.

Selvom mindre modne end nogle andre qubit-teknologier, små klatter af silicium kendt som silicium kvanteprikker har flere egenskaber, der gør dem meget attraktive til at realisere qubits. Disse omfatter lange sammenhængstider, høj-fidelity elektrisk kontrol, høj temperatur drift og stort potentiale for skalerbarhed. Imidlertid, for nyttigt at forbinde flere siliciumbaserede spin-qubits, det er afgørende at være i stand til at vikle mere end to qubits, en bedrift, der indtil nu havde unddraget fysikerne.

Seigo Tarucha og fem kolleger, alle på RIKEN Center for Emergent Matter Science, har nu initialiseret og målt et tre-qubit-array i silicium med high fidelity (sandsynligheden for, at en qubit er i den forventede tilstand). De kombinerede også de tre sammenfiltrede qubits i en enkelt enhed.

Denne demonstration er et første skridt mod at udvide mulighederne for kvantesystemer baseret på spin-qubits. "To-qubit operation er god nok til at udføre grundlæggende logiske beregninger, " forklarer Tarucha. "Men et tre-qubit-system er minimumsenheden til at opskalere og implementere fejlkorrektion."

Holdets enhed bestod af en tredobbelt kvanteprik på en silicium/silicium-germanium-heterostruktur og styres gennem aluminiumsporte. Hver kvanteprik kan være vært for én elektron, hvis spin-up og spin-down tilstande koder for en qubit. En on-chip magnet genererer en magnetisk feltgradient, der adskiller resonansfrekvenserne for de tre qubits, så de kan behandles individuelt.

Forskerne viklede først to af qubits ind ved at implementere en to-qubit gate - et lille kvantekredsløb, der udgør byggestenen i kvantecomputerenheder. De realiserede derefter tre-qubit sammenfiltring ved at kombinere den tredje qubit og porten. Den resulterende tre-qubit-tilstand havde en bemærkelsesværdig høj tilstandstrohed på 88 %, og var i en sammenfiltret tilstand, der kunne bruges til fejlretning.

Denne demonstration er kun begyndelsen på et ambitiøst forskningsforløb, der fører til en storstilet kvantecomputer. "Vi planlægger at demonstrere primitiv fejlkorrektion ved hjælp af tre-qubit-enheden og at fremstille enheder med ti eller flere qubits, " siger Tarucha. "Vi planlægger derefter at udvikle 50 til 100 qubits og implementere mere sofistikerede fejlkorrektionsprotokoller, baner vejen for en storstilet kvantecomputer inden for et årti."