Onderzoekers van de Technische Universiteit Delft hebben de werking aangetoond van logische poorten van twee qubit met behulp van mobiele elektronenspins op een siliciumchip. Deze ontwikkeling, gepubliceerd in Nature, zou het pad naar schaalbare kwantumprocessors kunnen bevorderen.
Het team, onder leiding van Lieven Vandersypen van QuTech, maakte gebruik van een techniek die ’transportband-mode shuttling’ wordt genoemd. Deze methode past in fase verschoven elektrische signalen toe op poortelektroden, waardoor een lopende golfpotentiaal ontstaat die individuele elektronen over de chip transporteert in bewegende kwantumdots. Deze aanpak maakt het mogelijk dat kwantuminformatiedragers fysiek worden getransporteerd in plaats van op hun plaats te worden gefixeerd.
Vandersypen merkte op: “Wat als je twee elektronenspins met elkaar zou kunnen laten interacteren, simpelweg door ze naar elkaar toe te bewegen, waarbij elk zich voortplant in een lopend golfpotentiaalminimum?” De onderzoekers bereikten een gemiddelde poortgetrouwheid van twee qubits van ongeveer 99 procent door de interactiesterkte aan te passen op basis van de ruimtelijke scheiding van de elektronen. Bovendien implementeerden ze kwantumtoestandteleportatie tussen ruimtelijk gescheiden qubits, waardoor een gemiddelde gate-fidelity van 87 procent werd bereikt.
Deze architectuur gaat de uitdaging aan van het verbinden van verre qubits zonder complexe bedrading. Mobiele qubits maken dynamische connectiviteit mogelijk en zorgen ervoor dat verschillende kwantumfoutcorrectiecodes op dezelfde hardware kunnen werken. Het apparaat is vervaardigd uit isotopisch gezuiverd silicium-germanium, dat compatibel is met standaard halfgeleiderproductieprocessen, waardoor deze benadering zich onderscheidt van andere waarvoor exotische materialen nodig zijn.
De publicatie valt samen met de vooruitgang op het gebied van op silicium gebaseerde kwantumcomputers. In april demonstreerde QuTech programmeerbare kwantumcircuits met zes silicium-spinqubits. Bovendien introduceerde een afzonderlijk team nieuwe spin-qubit-uitleesmethoden die zijn ontworpen om de bedradingscomplexiteit in grotere kwantumprocessors te verminderen.
Vandersypen presenteerde het shuttle-paradigma op een Princeton Quantum Colloquium op 27 april. De onderzoekers verwachten dat operaties op mobiele qubits een universeel kenmerk zullen worden van toekomstige grootschalige halfgeleider-kwantumprocessors.
