Samarbeid på tvers av institusjoner fører til ny kontroll over kvantepunkt-qubits

Qubits er byggesteinene til kvantedatamaskiner, som har potensial til å revolusjonere mange forskningsfelt ved å løse problemer som klassiske datamaskiner ikke kan.

Men å skape qubits som har den perfekte kvaliteten som er nødvendig for kvanteberegning kan være utfordrende.

Forskere ved University of Wisconsin–Madison, HRL Laboratories LLC og University of New South Wales (UNSW) samarbeidet om et prosjekt for å bedre kontrollere kvanteprikker i silisium, noe som muliggjør fabrikasjon av høyere kvalitet og bruk i bredere applikasjoner. Alle tre institusjonene er tilknyttet Chicago Quantum Exchange. Verket ble publisert i Fysiske gjennomgangsbrevog hovedforfatteren, JP Dodson, har nylig gått over fra UW–Madison til HRL.

“Konsistens er tingen vi er ute etter her,” sier Mark Friesen, Distinguished Scientist of Physics ved UW-Madison og forfatter på papiret. “Vår påstand er at det faktisk er håp om å skape et veldig ensartet utvalg av prikker som kan brukes som qubits.”

Sensitive kvantetilstander

Mens klassiske databiter bruker elektriske kretser for å representere to mulige verdier (0 og 1), bruker qubits to kvantetilstander for å representere 0 og 1, noe som lar dem dra nytte av kvantefenomener som superposisjon for å gjøre kraftige beregninger.

Qubits kan konstrueres på forskjellige måter. En måte å bygge en qubit på er ved å lage en kvanteprikk, eller et veldig, veldig lite bur for elektroner, dannet i en silisiumkrystall. I motsetning til qubits laget av enkeltatomersom alle er naturlig identiske, kvantepunkt-qubits er menneskeskapte – noe som lar forskere tilpasse dem til forskjellige applikasjoner.

Men en vanlig skiftenøkkel i de metaforiske tannhjulene til disse silisium-qubitene er konkurranse mellom forskjellige typer kvantetilstander. De fleste qubits bruker “spinntilstander” for å representere 0 og 1, som er avhengige av en unik kvanteegenskap kalt spinn. Men hvis qubiten har andre typer kvantetilstander med lignende energier, kan de andre tilstandene forstyrre, noe som gjør det vanskelig for forskere å effektivt bruke qubiten.

I silisiumkvanteprikker er statene som oftest konkurrerer med de som trengs for databehandling “daltilstander”, oppkalt etter plasseringene deres på en energigraf – de eksisterer i “dalene” i grafen.

For å ha den mest effektive kvantepunkt-qubiten, må daltilstandene til prikken kontrolleres slik at de ikke forstyrrer de kvanteinformasjonsbærende spinntilstandene. Men dalstatene er ekstremt følsomme; kvanteprikkene sitter på en flat overflate, og hvis det til og med er ett ekstra atom på overflaten under kvanteprikken, endres energiene til daltilstandene.

Studiens forfattere sier at denne typen enkeltatomdefekter er ganske mye “uunngåelige”, så de fant en måte å kontrollere dalstatene selv i nærvær av defekter. Ved å manipulere spenningen over prikken fant forskerne ut at de fysisk kunne flytte prikken rundt overflaten den sitter på.

“Portspenningene lar deg flytte prikken over grensesnittet den sitter på med noen få nanometer, og ved å gjøre det endrer du dens posisjon i forhold til atomskalafunksjoner,” sier Mark Eriksson, John Bardeen-professor og styreleder for UW -Madison fysikkavdeling, som jobbet med prosjektet. “Det endrer energiene til daltilstander på en kontrollerbar måte.”

“Ta hjem-meldingen til dette papiret,” sier han, “er at energiene til dalstatene ikke bestemmes for alltid når du først lager en kvanteprikk. Vi kan justere dem, og det lar oss lage bedre qubits som kommer til å skape bedre kvantedatamaskiner.”

Bygger på akademisk og bransjeekspertise

Vertsmaterialet for kvanteprikker er “dyrket” med presis lagsammensetning. Prosessen er ekstremt teknisk, og Friesen bemerker at Lisa Edge ved HRL Laboratories er en verdensekspert.

– Det krever mange tiår med kunnskap for å kunne dyrke disse enhetene riktig, sier Friesen. “Vi har flere år med samarbeid med HRL, og de er veldig flinke til å gjøre materialer av virkelig høy kvalitet tilgjengelig for oss.”

Arbeidet hadde også nytte av kunnskapen til Susan Coppersmith, en teoretiker tidligere ved UW-Madison som flyttet til UNSW i 2018. Eriksson sier at forskningssamarbeidet var avgjørende for suksessen.

“Dette arbeidet, som gir oss mye ny kunnskap om hvordan vi nøyaktig kontrollerer disse qubitene, kunne ikke vært utført uten våre partnere ved HRL og UNSW,” sier Eriksson. “Det er en sterk følelse av fellesskap i kvantevitenskap og -teknologi, og det presser virkelig feltet fremover.”

---

---

Levert av Chicago Quantum Exchange