Laveampaa kvantti-informaation vaihtoa

Niels Bohrin Instituten tutkijat jäähdyttivät sirun, joka sisälsi spinkubittien ryhmän -273 celsiusasteeseen. Yksittäisten elektronien ja niiden spinien käsittelemiseksi kvanttipistematriisissa käytettiin nopeita jännitepulsseja Ga-As -kiteellä oleviin porttielektrodeihin. Temppu mahdollistaa laaja-alaisen kvantti-informaation käsittelyn.

Kööpenhaminan yliopiston Niels Bohrin instituutin tutkijat yhteistyöllä Purduen ja Sydneyn yliopistojen kanssa ovat realisoineet elektronien spinien vaihtoa pidemmälläkin olevien kvanttipisteiden välillä.

Löytö vie askeleen lähemmäs kvantti-informaation tulevia sovelluksia, koska menetelmän avulla voidaan mikropiirillä järjestää kvanttipisteiden välille riittävästi tilaa sähköisen ohjauksen elektrodeja varten.

Kvantti-informaatiota voidaan tallentaa ja vaihtaa elektronin spinin tiloja käyttäen. Elektronien varausta voidaan manipuloida porttijännitepulsseilla, jotka ohjaavat siten myös niiden spiniä.

Kvantti-informaatiota voidaan koodata elektronien spin-tiloihin, ne kun eivät ole paljoakaan vuorovaikutuksessa häiritsevän ympäristön kanssa, mikä tekee niistä hyödyllisiä kestävinä ja pitkäikäisinä kvanttimuisteina.

Mutta kvantti-informaation aktiivinen käsittely vaatii vuorovaikutusta.

Tutkijat asettivat suuren ja pitkänomaisen kvanttipisteen sen molemmilla puolin olevien kvanttipisteiden väliin. Sen avulla voidaan välittää koherentti spintilojen vaihtaminen miljardisosan sekunnin sisällä ilman, että elektroneja siirretään pisteistään. Välittäjänä toimii 50–100 elektronin kvanttipiste.

”Toisin sanoen, meillä on nyt sekä nopea vuorovaikutus että tarvittava tila pulssiporttien elektrodeille”, sanoo Niels Bohr Instituutin apulaisprofessori Ferdinand Kuemmeth.

Esimerkiksi Center for Quantum Devices -keskuksessa tutkitaan parhaillaan kiinteän piiritekniikan kvanttitietokoneiden toteutuksia eli puolijohtavia spin kubitteja, suprajohtavia gatemon kubitteja ja topologisia Majorana kubitteja. Ne ovat kaikki jänniteohjattuja kubitteja.

Löydön teoreettisen kehyksen tarjoaa Sydneyn yliopiston kvanttifysiikan professori Stephen Bartlett sanoin: ”Mikä on mielestäni jännittävää tästä tuloksesta teoreetikkona sanoen, on se, että se vapauttaa meidät kubitin rajoittavasta geometriasta, joka perustuu vain lähimpiin naapureihinsa”.

Saavutus mahdollistaa mielivaltaisten elektroniparien kytkennän ja voi johtaa ohjelmoitavaan laitteistorakenteeseen, jossa kubit-kubit -yhteydet voidaan konfiguroida uudelleen in situ palvelemaan parhaiten tiettyjä laskennallisia tehtäviä.

Kaiken kaikkiaan nopea spinin vaihto ei ole vain merkittävä tieteellinen ja tekninen saavutus, vaan sillä voi olla syvällisiä vaikutuksia kiinteän kvantti-tietokoneiden arkkitehtuuriin. Syynä on etäisyys: ”Jos muidenkin kuin aivan vierekkäisten kubittien välisiä spinejä voidaan hallitusti vaihtaa, tämä mahdollistaa sellaisten verkkojen toteutuksen, joissa tehostunut kubit-kubit liitettävyys muuttuu merkittävästi kasvavaksi laskennalliseksi kvanttiulottuvuudeksi”, ennustaa Kuemmeth.

Aiheesta aiemmin:

Tuttu pii houkuttaa kvanttitietotekniikkaa