Kvanttilaskennan edistäminen sinkkioksidin kvanttipisteillä

Tohokun yliopiston tutkijat ovat yhteistyössä kansallisen materiaalitieteen instituutin (NIMS) ja Tokion yliopiston kanssa ottaneet tärkeän askeleen kohti puolijohteista kvanttilaskentaa sinkkioksidin (ZnO) avulla.

Tiimi demonstroi onnistuneesti varauksentunnistusta, rf-taajuista heijastusmittausta ja muutaman elektronin kaksoiskvanttipisteen muodostamista ZnO-rakenteessa – kolme keskeistä teknologiaa spin-kubittien kehittämiseen ja arviointiin.

Puolijohteiset kvanttipisteet ovat lupaavia rakenneosia skaalautuville kvanttitietokoneille, koska ne voivat vangita yksittäisiä elektroneja ja käyttää niiden spinejä kvantti-informaation tallentamiseen.

Piitä ja galliumarsenidia on tutkittu laajasti tähän tarkoitukseen, kun taas ZnO on noussut esiin vaihtoehtoisena materiaalina, jolla on houkuttelevia ominaisuuksia, mukaan lukien vähemmän häiritsevä ydinspinien ympäristö, joka voi auttaa säilyttämään elektronien spintilat, ja suora energia-aukko mahdollista optista kytkentää varten.

ZnO-kvanttipisteiden elektronien varaustilan nopea ja tarkka havaitseminen on kuitenkin edelleen haasteena. Tämän ratkaisemiseksi tutkijat valmistivat ZnO-rakenteen, joka sisältää kaksi kohdekvanttipistettä (QD1 ja QD2) sekä herkkänä elektrometrinä toimivan anturikvanttipisteen (SQD). Integroimalla anturin radiotaajuusresonanssipiiriin he saavuttivat korkeataajuisen reflektometrian, joka mahdollisti elektronien varauksen muutosten havaitsemisen paljon nopeammin.

”Kvanttilaskennassa teknologiat, jotka mahdollistavat kvanttitilojen nopean lukemisen, ovat välttämättömiä”, sanoo apulaisprofessori Tomohiro Otsuka. ”Demonstroimalla korkeataajuista reflektometriaa sinkkioksidissa olemme luoneet tärkeän mittaustekniikan kvanttitilojen nopeaan arviointiin tässä ainutlaatuisessa materiaalissa.”

Integroidun rakenteen avulla tutkijat onnistuivat myös eristämään yksittäisiä elektroneja ja vahvistivat muutaman elektronin kaksoiskvanttipisteen muodostumisen. Tämä konfiguraatio on tärkeä perusta spin-kubittien tutkimiselle ja käyttämiselle.

"Tämä saavutus kuroo umpeen kriittisen kokeellisen aukon sinkkioksidisten kvanttirakenteiden alalla", Otsuka sanoo. "Meillä on nyt nopea mittausalusta, jonka avulla voimme tutkia spinin perusominaisuuksia, kuten spinin relaksaatio- ja koherenssiaikoja, mikä tuo meidät lähemmäksi uusiin puolijohdemateriaaleihin perustuvien tehokkaiden kvanttilaitteiden toteuttamista."

Tutkimusryhmän seuraaviin vaiheisiin kuuluu elektronin spinin lukemisen ja manipuloinnin demonstrointi ZnO-kvanttipisteissä sekä keskeisten ominaisuuksien, kuten spinin relaksaation ja koherenssiaikojen, mittaaminen.

Aiheesta aiemmin:

Kolmoiskvanttipisteisten kubittien hallinta sinkkioksidissa

Kvanttipisteet ja sovellukset monipuolistuvat

Erikoismuotoiltuja kvanttipisteitä