Wissenschaftler demonstrieren eine kohärente Kopplung zwischen einem Quantenpunkt und einem Donoratom in Silizium

Anonim

Quantencomputer könnten Probleme angehen, die aktuelle Supercomputer nicht bewältigen können. Quantencomputer beruhen auf Quantenbits oder "Qubits". Aktuelle Computer führen Millionen von Berechnungen nacheinander aus. Qubit-Kopplung ermöglicht es Quantencomputern, sie alle gleichzeitig auszuführen. Qubits könnten die Daten speichern, die zu Bankkonten und Krankenakten führen. In einer ungewöhnlichen Wendung stellen Qubits Daten durch den binären Zustand von Elektronenspins dar. Es gab zwei Systeme, um Qubits zu erstellen. Die Forscher integrierten erfolgreich die Systeme Donor-Atome und Quantenpunkte. Die neuen Qubits lassen die Spins und damit die Daten nicht schlechter werden. Insbesondere zeigen die Bits eine kohärente Kopplung der Elektronenspins. Dieser bisher kaum bekannte hybride Ansatz nutzt die Vorteile der beiden Qubit-Systeme aus.

Seit fast zwei Jahrzehnten haben Wissenschaftler theoretische Vorschläge für eine solche hybride Qubit (Donor Qubit) -Architektur erstellt. Jetzt haben Forscher einen wichtigen Schritt zur praktischen Realisierung von Silizium-Qubits gemacht. Silizium ist wichtig. Warum? Es ist das gleiche Material, das heute in unseren Personalcomputern verwendet wird. Der Herstellungsprozess für Qubits könnte in die heutigen Fertigungs- und Computertechnologien passen.

Qubits bilden die Grundlage der Quantenberechnung. Der Aufbau eines praktischen Quantencomputers erfordert zwei wichtige Merkmale: die Aufrechterhaltung kohärenter Quantenzustände und die Zusammensetzung von Qubits. Kohärenz kann als eine ideale Eigenschaft der wechselwirkenden Wellenfunktionen, die Teilchen beschreiben, betrachtet werden. Silizium ist ein ansprechendes Qubit-Material, da es eine Umgebung bietet, die die Quanten-Dekohärenz minimiert. Darüber hinaus gibt es bereits eine Infrastruktur für den Bau von Silizium-Geräten. Die zweite wichtige Anforderung - die Zusammenstellung der Qubits - hat sich jedoch als äußerst schwierig erwiesen. Donoratome müssen so in Silizium eingebettet sein, dass ihre Wechselwirkungen kontrolliert werden können. Dies zu erreichen erfordert extreme Präzision.

Eine Zusammenarbeit zwischen Wissenschaftlern aus Kanada, den Sandia National Laboratories und dem Zentrum für integrierte Nanotechnologien hat eine Alternative zu dieser Donor-Kopplungs-Anordnung aufgedeckt - durch die Verwendung von Quantenpunkten (QDs). In einem Ecksteinvorsprung demonstrierten die Forscher eine kohärente Kopplung des Elektrons aus einem Phosphor-Donoratom und einem Elektron eines Metalloxidhalbleiters QD. Dieser Ansatz ist vorteilhaft. Es erfordert nicht den extremen Grad der Platzierungsgenauigkeit als Donorkopplung. Die elektronischen Zustände dieses Systems werden durch den Kernspin des Donoratoms gesteuert, was eine einfache integrierte Methode zur Wechselwirkung mit dem Qubit darstellt. Daher müssen keine zusätzlichen Mikromagnete oder QDs verwendet werden.

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