Er is een verstrengelde toestand van drie qubits gerealiseerd in een volledig controleerbare reeks spin-qubits in silicium

Een volledig RIKEN-team heeft het aantal op silicium gebaseerde spin-qubits dat kan worden verstrengeld verhoogd van twee naar drie, wat het potentieel van spin-qubits voor het realiseren van multi-qubit-kwantumalgoritmen benadrukt.

Quantumcomputers hebben het potentieel om conventionele computers in het stof te laten bij het uitvoeren van bepaalde soorten berekeningen. Ze zijn gebaseerd op kwantumbits, of qubits, het kwantumequivalent van de bits die conventionele computers gebruiken.

Hoewel minder volwassen dan sommige andere qubit-technologieën, hebben kleine klodders silicium, bekend als siliciumkwantumdots, verschillende eigenschappen die ze zeer aantrekkelijk maken voor het realiseren van qubits. Deze omvatten lange coherentietijden, hoogwaardige elektrische besturing, werking bij hoge temperaturen en een groot potentieel voor schaalbaarheid. Om verschillende op silicium gebaseerde spin-qubits nuttig met elkaar te verbinden, is het echter cruciaal om meer dan twee qubits te kunnen verstrengelen, een prestatie die natuurkundigen tot nu toe hadden ontweken.

Seigo Tarucha en vijf collega’s, allemaal van het RIKEN Center for Emergent Matter Science, hebben nu een array van drie qubits in silicium geïnitialiseerd en gemeten met hoge betrouwbaarheid (de waarschijnlijkheid dat een qubit zich in de verwachte staat bevindt). Ze combineerden ook de drie verstrengelde qubits in één apparaat.

Deze demonstratie is een eerste stap in de richting van uitbreiding van de mogelijkheden van kwantumsystemen op basis van spin-qubits. “De werking van twee qubits is goed genoeg om fundamentele logische berekeningen uit te voeren”, legt Tarucha uit. “Maar een systeem van drie qubits is de minimale eenheid om op te schalen en foutcorrectie door te voeren.”

Het apparaat van het team bestond uit een drievoudige kwantumstip op een silicium/silicium-germanium heterostructuur en wordt bestuurd door aluminium poorten. Elke kwantumstip kan één elektron bevatten, waarvan de spin-up en spin-down toestanden coderen voor een qubit. Een magneet op de chip genereert een magnetisch veldgradiënt die de resonantiefrequenties van de drie qubits scheidt, zodat ze afzonderlijk kunnen worden aangesproken.

De onderzoekers verstrengelden eerst twee van de qubits door een poort van twee qubits te implementeren – een klein kwantumcircuit dat de bouwsteen vormt van kwantumcomputers. Vervolgens realiseerden ze verstrengeling van drie qubits door de derde qubit en de poort te combineren. De resulterende toestand van drie qubits had een opmerkelijk hoge staatsgetrouwheid van 88% en bevond zich in een verstrengelde toestand die kon worden gebruikt voor foutcorrectie.

Deze demonstratie is slechts het begin van een ambitieus onderzoekstraject dat leidt tot een grootschalige kwantumcomputer. “We zijn van plan om primitieve foutcorrectie te demonstreren met behulp van het apparaat met drie qubits en apparaten met tien of meer qubits te fabriceren”, zegt Tarucha. “Vervolgens zijn we van plan om 50 tot 100 qubits te ontwikkelen en geavanceerdere foutcorrectieprotocollen te implementeren, waardoor de weg wordt vrijgemaakt voor een grootschalige kwantumcomputer binnen een decennium.”