Kaksi spiniä tuottaa kvanttiväylän

Perinteisempien kvanttialustojen lisäksi myös supra- ja puolijohteisiin tukeutuvat hybridit kvanttijärjestelmät herättävät suurta kiinnostusta, sillä niissä voidaan yhdistää molempien materiaaliluokkien mielenkiintoisia fysikaalisia ominaisuuksia.

Lieven Vandersypenin johtama ryhmä Delftin teknillisessä yliopistossa on onnistunut yhdistämään johdonmukaisesti kaksi elektronin spiniä erillisissä puolijohteen nanorakenteissa vaihtamalla virtuaalisia fotoneja suprajohtavan mikroaaltoresonaattorin kautta.

Heidän esittelynsä on virstanpylväs puolijohteisten spin-kubittien tutkimuksessa ja tarjoaa uusia mahdollisuuksia spin-pohjaiseen kvanttilaskentaan.

Kun elektronivaraus reagoi sekä sähkö- että magneettikenttään, spin kytkeytyy vain magneettikenttään. Spin-kubiteille tämä on hyvä asia, koska puolijohdelaitteissa haitallisen kohinan päälähde on sähkö. Erityisesti tämä spinin etu pätee isotooppisesti puhdistettuun 28Si:n, jossa magneettinen kohina on vaimennettu erittäin alhaiselle tasolle.

Spinin ei-vuorovaikuttavuus sähkökenttien kanssa muodostaa kuitenkin ongelman, kun tarvitaan pitkän kantaman vuorovaikutusta tai "kvanttiväylää" kahden etäisen kubitin kytkemiseksi.

Spin-kubittien kohdalla suprajohdetekniikan tapaiset fotonivälitteiset vuorovaikutukset on vaikea toteuttaa, koska elektronien spinien ja ontelofotonin magneettikentän välinen kytkentä on heikko.

Delft-ryhmän uusi työ vahvistaa kytkentää käyttämällä temppua, jota kutsutaan floppausmoodin kubitiksi, jossa yksi elektroni käyttäytyy sekä spin-kubittina että varauskubittina.

Varauskubitti liittyy elektronin sijaintiin kaksoiskaivon potentiaalissa. Spin- ja varauskubittien kytkentä perustuu magneettikenttägradienttiin, mikä saa spin-kubitin kokemaan erilaisen magneettikentän, kun elektroni liikkuu magneettikentän potentiaalin kahden puolen välillä.

Tuloksena on kytkentä spinistä spiniin, jota välittävät virtuaaliset mikroaaltofotonit.

Uusien tulosten myötä spin-kubitit ovat saavuttamassa suprajohtavia kubitteja käytännöllisenä kvanttilaskenta-alustana. Mitä on vielä demonstroitava, ovat kvanttibitit, jotka voidaan saada toimimaan aikatasolla kytkemällä kytkentä päälle ja pois.

Aiheesta aiemmin:

Kubitteja ohjaten

Laveampaa kvantti-informaation vaihtoa