Elektrisch schakelbare qubit kan afstemmen tussen opslag- en snelle rekenmodi

Om berekeningen uit te voeren, hebben kwantumcomputers qubits nodig als elementaire bouwstenen die informatie verwerken en opslaan. Nu hebben natuurkundigen een nieuw type qubit geproduceerd dat kan worden overgeschakeld van een stabiele inactieve modus naar een snelle rekenmodus. Het concept zou het ook mogelijk maken om een ​​groot aantal qubits te combineren tot een krachtige kwantumcomputer, zo melden onderzoekers van de Universiteit van Basel en de TU Eindhoven in het tijdschrift Natuur Nanotechnologie.

Vergeleken met conventionele bits zijn kwantumbits (qubits) veel kwetsbaarder en kunnen ze hun informatie-inhoud zeer snel verliezen. De uitdaging voor quantum computing is daarom om de gevoelige qubits gedurende een langere periode stabiel te houden en tegelijkertijd manieren te vinden om snelle quantumbewerkingen uit te voeren. Nu hebben natuurkundigen van de Universiteit van Basel en de TU Eindhoven een schakelbare qubit ontwikkeld waarmee kwantumcomputers beide kunnen doen.

Het nieuwe type qubit heeft een stabiele maar langzame toestand die geschikt is voor het opslaan van kwantuminformatie. De onderzoekers waren echter ook in staat de qubit om te zetten in een veel snellere maar minder stabiele manipulatiemodus door een elektrische spanning aan te leggen. In deze staat kunnen de qubits worden gebruikt om informatie snel te verwerken.

Selectieve koppeling van individuele spins

In hun experiment creëerden de onderzoekers de qubits in de vorm van ‘hole spins’. Deze worden gevormd wanneer een elektron opzettelijk uit een halfgeleider wordt verwijderd, en het resulterende gat heeft een spin die twee toestanden kan aannemen, omhoog en omlaag – analoog aan de waarden 0 en 1 in klassieke bits. In het nieuwe type qubit kunnen deze spins selectief worden gekoppeld – via een foton bijvoorbeeld – aan andere spins door hun resonantiefrequenties af te stemmen.

Deze mogelijkheid is van vitaal belang, aangezien de constructie van een krachtige kwantumcomputer de mogelijkheid vereist om veel individuele qubits selectief te besturen en met elkaar te verbinden. Schaalbaarheid is met name nodig om het foutenpercentage bij kwantumberekeningen te verminderen.

Ultrasnelle spinmanipulatie

De onderzoekers konden de elektrische schakelaar ook gebruiken om de spin-qubits met recordsnelheid te manipuleren. “De spin kan coherent van boven naar beneden worden omgedraaid in slechts een nanoseconde”, zegt projectleider professor Dominik Zumbühl van de afdeling natuurkunde aan de universiteit van Basel. “Dat zou tot een miljard schakelingen per seconde mogelijk maken. De spin-qubit-technologie nadert daarom nu al de kloksnelheden van de huidige conventionele computers.”

Voor hun experimenten gebruikten de onderzoekers een halfgeleider-nanodraad van silicium en germanium. Geproduceerd op de TU Eindhoven, heeft de draad een kleine diameter van ongeveer 20 nanometer. Omdat de qubit dus ook extreem klein is, zou het in principe mogelijk moeten zijn om miljoenen of zelfs miljarden van deze qubits op een chip te verwerken.