UNSW-onderzoekers hebben atoomkernen met elkaar verstrengeld via elektronen, waardoor kwantumcommunicatie werd bereikt op een schaal die compatibel is met de huidige computerchips, waardoor silicium-kwantumcomputers werden bevorderd. UNSW-ingenieurs ontwikkelden kwantumverstrengelde toestanden met behulp van de spins van twee atoomkernen. Verstrengeling is cruciaal voor de voordelen van quantum computing ten opzichte van conventionele systemen. Dit onderzoek, gepubliceerd in Wetenschap op 18 september betekent een stap in de richting van grootschalige kwantumcomputers. Hoofdauteur Dr. Holly Stemp verklaarde dat deze prestatie de constructie van toekomstige quantum computing-microchips mogelijk maakt met behulp van bestaande technologie en productieprocessen. Ze merkte op: “We zijn erin geslaagd de schoonste, meest geïsoleerde kwantumobjecten met elkaar te laten praten, op de schaal waarop standaard elektronische apparaten van silicium momenteel worden vervaardigd.” Kwantumcomputertechniek balanceert computerelementen tegen interferentie en maakt hun interactie voor berekeningen mogelijk. Deze uitdaging draagt bij aan de diversiteit van kwantumhardwarebenaderingen. Sommige bieden snelheid maar hebben last van geluid, terwijl andere afgeschermd zijn maar moeilijk te bedienen en te schalen zijn. Het UNSW-team gebruikte de nucleaire spin van fosforatomen, geïmplanteerd in een siliciumchip, om kwantuminformatie te coderen. Scientia-professor Andrea Morello van de School of Electrical Engineering & Telecommunications van UNSW beschreef de spin van atoomkernen als “het schoonste, meest geïsoleerde kwantumobject dat je in de vaste toestand kunt vinden.” Professor Morello beschreef het eerdere werk van de groep gedurende vijftien jaar, waarbij doorbraken in deze technologie plaatsvonden. Ze demonstreerden dat ze kwantuminformatie meer dan 30 seconden konden vasthouden en kwantumlogische bewerkingen konden uitvoeren met minder dan 1% fouten. Hij verklaarde dat ze “de eersten ter wereld waren die dit in een siliciumapparaat bereikten.” Hij merkte echter op dat de isolatie die atoomkernen ten goede kwam, het verbinden ervan in een grootschalige kwantumprocessor moeilijk maakte. Voorheen vereiste de werking van meerdere atoomkernen dat ze zich heel dicht bij elkaar in een vaste stof bevonden, omringd door een enkel elektron. Dr. Stemp legde uit dat hoewel een elektron zich kan ‘verspreiden’ om met meerdere atoomkernen te interageren, het bereik ervan beperkt is. Ze voegde eraan toe: “het toevoegen van meer kernen aan hetzelfde elektron maakt het een hele uitdaging om elke kern afzonderlijk te controleren.” De doorbraak betrof atoomkernen die communiceerden via elektronische ’telefoons’, die elektronen zijn. Dr. Stemp gebruikte de metafoor van mensen in een geluiddichte ruimte, waar de gesprekken duidelijk maar beperkt van omvang waren. De ’telefoons’ maken communicatie tussen kamers mogelijk, waardoor meer schaalbare interacties ontstaan en de isolatie behouden blijft. Mark van Blankenstein, een andere auteur, legde uit dat twee elektronen elkaar op afstand kunnen ‘raken’ vanwege hun vermogen om zich te verspreiden. Als elk elektron zich koppelt aan een atoomkern, kunnen de kernen daardoor communiceren. De afstand tussen de kernen in de experimenten was ongeveer 20 nanometer. Dr. Stemp benadrukte dat als een kern op menselijke maat zou worden geschaald, deze afstand vergelijkbaar zou zijn met die tussen Sydney en Boston. Ze benadrukte dat 20 nanometer de schaal is van moderne siliciumcomputerchips die worden gebruikt in personal computers en mobiele telefoons. Dit betekent dat productieprocessen die door de halfgeleiderindustrie zijn ontwikkeld, kunnen worden aangepast voor kwantumcomputers op basis van atoomkernspins. Deze apparaten zijn compatibel met de huidige productie van computerchips. Fosforatomen werden in de chip geïntroduceerd door het team van professor David Jamieson aan de Universiteit van Melbourne, met behulp van ultrazuiver silicium van professor Kohei Itoh aan de Keio Universiteit in Japan. Door de noodzaak te elimineren dat atoomkernen aan hetzelfde elektron moeten worden bevestigd, heeft het UNSW-team een belangrijk obstakel aangepakt voor het opschalen van silicium-kwantumcomputers op basis van atoomkernen. Professor Morello omschreef hun methode als ‘opmerkelijk robuust en schaalbaar’. Hij voegde eraan toe dat er in de toekomst meer elektronen kunnen worden gebruikt en gevormd om kernen verder te verspreiden. “Elektronen zijn gemakkelijk te verplaatsen en in vorm te ‘masseren’, waardoor de interacties snel en nauwkeurig aan en uit kunnen worden gezet. Dat is precies wat nodig is voor een schaalbare kwantumcomputer.”
