Onderzoekers van QuTech hebben spin-qubits ontwikkeld die salto’s maken voor universele quantumlogica. Deze prestatie maakt efficiënte aansturing van grote halfgeleider qubit-arrays mogelijk. De onderzoeksgroep publiceerde een werk over spins die huppelen in Nature Communications en hun werk over spins die salto’s maken in Science.
In 1998 publiceerden Daniel Loss en David DiVincenzo het baanbrekende werk ‘quantum computation with quantum dots’. In hun oorspronkelijke werk werd het huppelen van spins voorgesteld als basis voor qubit logica, maar een experimentele implementatie bleef uit. Na meer dan 20 jaar hebben de experimenten de theorie ingehaald. Onderzoekers van QuTech hebben aangetoond dat de oorspronkelijke ‘hopping gates’ inderdaad mogelijk zijn, met zelfs zeer geavanceerde prestaties.
Aansturing vereenvoudigen
Qubits gebaseerd op kwantumdots worden wereldwijd bestudeerd omdat ze beschouwd worden als een aantrekkelijk uitgangspunt voor de bouw van een kwantumcomputer. De meest populaire aanpak is om een enkel elektron te vangen en een magnetisch veld toe te passen, waardoor de spin van het elektron gebruikt kan worden als een qubit en bestuurd kan worden door microgolfsignalen.
In dit werk tonen de onderzoekers echter aan dat er geen microgolfsignalen nodig zijn. In plaats daarvan zijn basisbandsignalen en kleine magnetische velden voldoende om universele qubit-aansturing te bereiken. Dat kan de besturingselektronica volgens de onderzoekers aanzienlijk vereenvoudigen.
Van spins die huppelen naar salto’s maken
Het beheersen van de spin vereist het huppelen van kwantumdot naar kwantumdot en een fysisch mechanisme dat in staat is om die te laten roteren. In eerste instantie werd in het voorstel van Loss en DiVincenzo gebruik gemaakt van een specifiek type magneet, wat experimenteel moeilijk te realiseren bleek. In plaats daarvan pionierde de groep van QuTech met germanium. Deze halfgeleider zou op zichzelf al spinrotaties mogelijk kunnen maken. Dit wordt gemotiveerd door eerder werk waarin Floor van Riggelen–Doelman en Corentin Déprez laten zien dat germanium kan dienen als platform voor het huppelen van spin-qubits als basis voor het maken van kwantumkoppelingen. Zij namen de eerste aanwijzingen van spinrotaties waar.
Als je het verschil tussen huppelende en salto’s makende qubits beschouwt, beeld je kwantum dot arrays dan in als een trampolinepark, waar elektronen spins zijn als mensen die springen. Gewoonlijk heeft elke persoon een eigen trampoline, maar ze kunnen ook naar naburige trampolines springen als die beschikbaar zijn. Germanium heeft een unieke eigenschap: door van de ene trampoline naar de andere te springen, ervaart een persoon een krachtmoment waardoor hij een salto maakt. Door deze eigenschap kunnen onderzoekers de qubits doeltreffend besturen.
Chien-An Wang, eerste auteur van het Science-artikel, verduidelijkt: “Germanium heeft het voordeel dat spins langs verschillende richtingen uitgelijnd kunnen worden in verschillende kwantumdots.” Het bleek dat er hele goede qubits gemaakt kunnen worden door spins te laten huppelen tussen zulke kwantumdots. “We hebben een foutmarge gemeten van minder dan duizend voor één-qubit poorten en minder dan honderd voor twee-qubit poorten.”
Salto’s van qubits in een trampolinepark
Nadat het team controle had gekregen over twee spins in een systeem met vier kwantumdots, onderzocht het het rondhuppelen over meerdere kwantumdots. Co-auteur Valentin John: “Voor kwantum computing is het nodig om grote aantallen qubits met hoge precisie te bedienen en te koppelen.”
Verschillende trampolines zorgen ervoor dat mensen verschillende draaimomenten ervaren bij het springen, en op dezelfde manier resulteren spins tussen kwantumdots ook in unieke rotaties. Het is dus belangrijk om de variabiliteit te karakteriseren en te begrijpen. Co-auteur Francesco Borsoi: “We hebben besturingsroutines ontwikkeld die het mogelijk maken om spins te laten huppelen naar elke kwantumdot in een verzameling van 10 kwantumdots, waardoor we belangrijke qubitkenmerken kunnen onderzoeken in uitgebreide systemen”.
Hoofdonderzoeker Menno Veldhorst: “In een tijdsbestek van een jaar werd de observatie van qubitrotaties als gevolg van huppen een instrument dat door de hele groep wordt gebruikt. Wij geloven dat het van cruciaal belang is om efficiënte regelschema’s te ontwikkelen voor de werking van toekomstige kwantumcomputers en deze nieuwe aanpak is veelbelovend.”
Met dank aan Engineers online