15. marts 2019

Langdistance kvanteinformationsudveksling - succes på nanoskala

Kvanteforskning:

Det er lykkedes for forskere på Niels Bohr Institutet ved Københavns Universitet, at opnå udvekslinger af kvanteinformation over et stort matrix af kvantedots. Opdagelsen bringer os et skridt nærmere anvendelsen af kvanteinformation, idet den tillader indbygning i traditionelle mikrochips og måske i en fremtidig kvantecomputer. Resultatet blev opnået i et internationalt samarbejde mellem Niels Bohr Institutet, Purdue University, USA, og University of Sydney, Australien.

Størrelsen betyder noget i udvekslingen af kvanteinformation – selv på nanometer skalaen

Kvanteinformation kan lagres og udveksles ved at anvende elektroners spin tilstand og elektronspin kan kontrolleres ved en elektrisk puls. Man mente tidligere, at metoden kun var anvendelig, hvis de enkelte kvantedots rørte hinanden. Sagen er, at hvis de enkelte kvantedots er for tæt på hinanden, interagerer spinnet for voldsomt og alt for langsomt, hvis de er for langt fra hinanden. Det skaber et dilemma, for hvis vi nogensinde skal gøre os håb om, at en kvantecomputer ser dagens lys, har vi brug for begge. Både plads til hurtige spin-udvekslinger og plads til, at der kan tilkobles elektroder til at kontrollere spinnet.

Almindeligvis ville højre og venstre side i den matrix af kvantedots, man kan se i illustrationen, slet ikke være i stand til at foretage udveksling af spin, med den givne afstand. (Illustration 1). Frederico Martins, Ph.d studerende, forklarer: ”Vi koder kvanteinformation i elektronernes spin tilstand, hvilket har den meget ønskværdige egenskab, at de ikke interagerer med omgivelserne. Informationen er dermed både robust og har lang lagringstid. Men når vi omvendt gerne vil starte en kvanteinformations-proces, virker manglen på interaktion modsat – for nu vil vi gerne have vores elektronspin til at interagere!” Hvad gør man – man kan ikke have både sejlivet kvanteinformation og -udveksling på én gang… eller kan man? ”Vi opdagede, at ved at placere en stor, aflang kvantedot midt mellem venstre og højre side af vores matrix, kan den mediere en sammenhængende udveksling af spintilstande, på en milliard-del sekund, uden at elektronerne overhovedet forlader deres kvantedots. Med andre ord, nu har vi både lynhurtige udvekslinger og den nødvendige plads til puls-elektroderne”, siger Ferdinand Kuemmeth, lektor ved Niels Bohr Institutet.

Forskere på Niels Bohr Institutet nedkølede en matrix af spin qubits til under -273 grader celsius. For at kunne manipulere de individuelle elektroner i matrixen, koblede de hurtige, elektroniske pulser til de enkelte kvantedots på overfladen af en gallium-arsenide krystal (billedet af elektron mikroskopien) Fordi hver elektron også har spin kan der ske kvanteinformationsudveksling hen over matrixen. I udvekslingen af spin, som kun tog en milliard-del sekund, blev to elektronpar sammenhængende korreleret over fem kvante dots, hvilket er ny verdensrekord.

Samarbejde er helt afgørende, både internt og eksternt

Samarbejdet mellem forskellige organisationer og ekspertiser er nøglen til succes. Internt samarbejde på Niels Bohr Institutet fremmer pålideligheden af de processer i nanofabrikation og forfinelsen af lav-temperaturteknikker (under -273 grader Celsius), som er nødvendige. På Center for Quantum Devices studeres hele tre faststof teknikker, som alle bejler til anvendelse i en kvantecomputer, nemlig halvleder spin qubits, superledende gatemon qubits og topologiske Majorana qubits.

Alle tre er det, man kalder elektronisk kontrollerede qubits, og det lader forskerne dele tricks og løse tekniske problemer sammen. Men Kuemmeth tilføjer hurtigt: ”Alt dette ville være ubrugeligt, hvis vi ikke havde adgang til ekstremt rene halvlederkrystaller at bygge vores matrix på. Michael Manfra, professor i Materials Engineering ved Purdue University, USA, er enig: ”Purdue har arbejdet hårdt på at forstå de mekanismer, der skaber rolige og stabile kvantedots. Det er fantastisk at se dette arbejde bære frugt i Københavns [Niels Bohr Institutets] nyskabende qubits”.

Den teoretiske baggrund for opdagelsen blev leveret af University of Sydney i Australien. Stephen Bartlett, professor i kvantefysik ved University of Sydney siger: ”Det, jeg som teoretiker finder mest spændende ved dette resultat, er at det befrier os fra den snærende geometri, der kræver at qubits kun kan udveksle information med sine nærmeste naboer”. Hans team udarbejdede de detaljerede beregninger, som ligger til grund for den kvantemekaniske forklaring på den ikke videre intuitive opdagelse.

I det hele taget demonstrerer hurtig spin-udveksling ikke bare en bemærkelsesværdig videnskabelig og teknisk landvinding, men har muligvis grundlæggende betydning for udviklingen af faststof-baserede kvantecomputere. Årsagen er afstanden: ”Hvis elektron spin mellem qubits, der ikke ligger tæt på hinanden, kan udveksles og kontrolleres, er der pludselig potentiale for netværk, hvor de forøgede qubit-qubit forbindelser kan oversættes direkte til forøget kvantecomputerkraft”, forudser Ferdinand Kuemmeth.

 

Link til den videnskabelige artikel: https://rdcu.be/bqOYo