Основная идея квантового компьютера состоит в том, чтобы заменить единицы и нули, используемые в сегодняшних битах, квантовыми состояниями или кубитами. Кубиты — это единицы информации, которые не только принимают значения ноль и единица, но и в которых ноль и единица возможны одновременно и в любой выбранной комбинации в форме квантовой суперпозиции. Кубиты могут быть реализованы, например, с использованием спинов отдельных электронов, содержащихся в наноразмерных структурах из полупроводникового материала, известных как квантовые точки. Используя квантово-механические принципы, такие как суперпозиция, квантовый компьютер может достичь огромных скоростей обработки — но только если электронные спины сохраняются достаточно долго.
В последние годы стало возможным увеличить это так называемое время когерентности до миллисекунды благодаря успешному уменьшению помех, вызванных ядерными спинами. Таким образом, важность поиска других факторов, влияющих на стабильность электронных спинов, возросла.
Открытие электронного обменаФизики Базельского университета и Швейцарского института нанонауки установили, что когерентность кубитов ограничена процессом, в котором происходит обмен отдельными электронами между квантовой точкой и внешним резервуаром. Резервуар представляет собой тип электрода, который контактирует с квантовой точкой и необходим для измерений.
Исследователи под руководством профессора Доминика Зумбула обнаружили, что тепловое возбуждение побуждает электрон прыгнуть из квантовой точки в резервуар, и что вскоре после этого электрон перескакивает из резервуара в квантовую точку.Этот обмен создает кратковременное состояние заряда, которое исследователи в Базеле впервые смогли продемонстрировать с помощью датчика заряда.
Процесс обмена также приводит к рандомизации электронных спинов, из-за чего теряется квантовая информация.Фундаментальный процесс согласованностиНа основе экспериментальных наблюдений исследователи смогли значительно расширить существующее теоретическое описание двойных квантовых точек, которые могут содержать два электрона. Им также удалось повлиять на интенсивность процесса обмена, зависящего от температуры, за счет охлаждения электронов до 60 милликельвинов.
В то же время процесс замедлялся, а стабильность спинов увеличивалась за счет изменения напряжений на входах или затворах квантовой точки.Понимание и контроль этого процесса обмена, который является фундаментальным для квантовых точек, открывает путь к дальнейшему прогрессу в когерентности кубитов.
В то же время это открывает путь к быстрой генерации желаемых спиновых состояний в квантовых точках.Реализация теоретической концепции с базельскими корнямиЭтот подход, при котором квантовые точки в полупроводниках используются для использования спина отдельного электрона в качестве кубита, восходит к профессору Дэниелу Лоссу из Базельского университета и американскому физику Дэвиду Ди Винченцо. Их концепция, которую они первоначально представили в 1998 году, может позволить создание квантовых компьютеров с большим количеством связанных спиновых кубитов.
Настоящее исследование проводилось в сотрудничестве с исследователями из Университета Сент-Эндрюс (Великобритания) и Калифорнийского университета в Санта-Барбаре (США).