Piirakenne avaa portin kvanttitietokoneille

Princetonin yliopiston johtama työryhmä on luonut olennaisen osan, jolla toteuttaa kvanttitietokone jokapäiväisestä materiaalista eli piistä.

Tutkijaryhmä rakensi portin, joka ohjaa elektronien välisiä vuorovaikutuksia tavalla, joka sallii niiden toimivan kvanttibittien eli kubittien muodossa.

Piipohjaiset kvanttilaitteet käyttävät elektronien spiniä informaation koodaamiseen. Hyvin toimivan spinpohjaisen kvanttilaitteen toteuttamista on vaikeuttanut spintilojen epävakaisuus - ne kääntyvät helposti ylös, alas tai päinvastoin, ellei niitä voida pitää eristettynä hyvin puhtaassa ympäristössä.

Princetonin Quantum Device Nanofabrication Laboratoryn tutkijoiden piistä rakentama kvanttilaite pystyi pitämään spinit yhtenäisenä - eli kvanttitiloissaan - suhteellisen pitkiä aikoja.

Kaksikubittisen portin rakentamiseksi tutkijat kerrostivat pieniä alumiinilankoja hyvin järjestyneeseen piikiteeseen. Johtimien jännitteillä ansoitettiin kaksi yksittäistä elektronia, jotka erotetaan toisistaan energiaesteellä, hyvin samanlaisella rakenteella, jota kutsutaan kaksoiskvanttipisteeksi.

Energiaestettä tilapäisesti alentamalla tutkijat antavat elektronien jakaa kvantti-informaation, joka luo lomittumisen. Sitten nämä ansoittuneet ja lomittuneet elektronit ovat valmiina käytettäväksi kubitteina.

Tutkijat käyttivät ensimmäistä kubittia hallitsemaan toista kubittia, mikä tarkoittaa, että rakenne toimi hallittuna NOT (CNOT) -porttina, joka on yleisesti käytetyn tietokonepiirikomponentin kvanttiversio. Portti tuottaa tuloksen ensimmäisen kubitin tilan perusteella ja sen tilaa ohjataan magneettikentällä: Jos ensimmäinen spin on ylöspäin, niin toisen kubitin spin vaihtuu mutta jos ensimmäinen spin on alaspäin, toisen ei muutu.

Tutkijat pystyivät ylläpitämään elektronien spinin kvanttitiloissaan yli 99 prosentin ajan ja että portti toimii luotettavasti toisen kubitin spinin vaihtamiseksi noin 75 prosentilla ajasta.

"Haasteena työssä on se, että on erittäin vaikeaa rakentaa keinotekoisia rakenteita, jotka ovat tarpeeksi pieniä yksittäisten elektronien ansoittamiseksi ja hallitsemiseksi tuhoamatta niiden pitkiä säilytysaikoja", toteaa Princetonin fysiikan jatko-opiskelija David Zajac. "Tämä on ensimmäinen osoitus siitä, että kahden elektronin spinin lomittumisesta piimateriaalilla, joka tunnetaan yhtenä puhtaimmista ympäristöistä tuottamaan elektronien spintiloja."