Drei-Qubit-Rechenplattform besteht aus Elektronenspins – Physics World

Forscher in Südkorea haben eine Quantencomputerplattform entwickelt, die den gleichzeitigen Betrieb mehrerer spinbasierter Quantenbits (Qubits) ermöglicht. Entworfen von Yujeong Bae, Soo-hyon Phark, Andreas Heinrich und Kollegen am Institute for Basic Science in Seoul wird das System mithilfe eines Rastertunnelmikroskops (STM) Atom für Atom zusammengesetzt.

Während Quantencomputer der Zukunft in der Lage sein sollten, herkömmliche Computer bei bestimmten Aufgaben zu übertreffen, sind die heutigen Quantenprozessoren immer noch zu klein und zu laut, um praktische Berechnungen durchzuführen. Es muss noch viel mehr getan werden, um tragfähige Qubit-Plattformen zu schaffen, die Informationen lange genug speichern können, damit Quantencomputer lebensfähig sind.

Qubits wurden bereits mit verschiedenen Technologien entwickelt, darunter Supercomputing-Schaltkreise und gefangene Ionen. Einige Physiker sind auch daran interessiert, Qubits mithilfe der Spins einzelner Elektronen zu erzeugen – aber solche Qubits sind nicht so weit fortgeschritten wie einige ihrer Gegenstücke. Das bedeutet jedoch nicht, dass spinbasierte Qubits aus dem Rennen sind.

„An diesem Punkt haben alle bestehenden Plattformen für Quantencomputing große Nachteile, daher ist es zwingend erforderlich, neue Ansätze zu untersuchen“, erklärt Heinrich.

Präzise Montage

Um einen funktionsfähigen spinbasierten Prozessor zu schaffen, müssen Qubits präzise zusammengesetzt, zuverlässig miteinander gekoppelt und quantenkohärent betrieben werden – und das alles auf derselben Plattform. Laut dem in Seoul ansässigen Team ist dies etwas, das den Forschern bislang entgangen ist.

Die Forscher haben ihre Multi-Qubit-Plattform mit Hilfe eines STM erstellt, einem leistungsstarken Werkzeug zur Abbildung und Manipulation von Materie auf atomarer Ebene. Wenn die leitende Spitze eines STM sehr nahe an die Probenoberfläche gebracht wird, können Elektronen quantenmechanisch zwischen der Spitze und der Probenoberfläche tunneln.

Da die Tunnelwahrscheinlichkeit stark vom Abstand zwischen Spitze und Oberfläche abhängt, kann ein STM die nanoskalige Topographie der Probe abbilden, indem es den Strom dieser Tunnelelektronen misst. Einzelne Atome auf der Oberfläche können auch manipuliert und zusammengesetzt werden, indem sie durch die von der Spitze ausgeübten nanoskaligen Kräfte herumgeschoben werden.

Mithilfe dieser Fähigkeiten hat das Team laut Heinrich „die erste Qubit-Plattform mit atomarer Präzision demonstriert“. „Es basiert auf Elektronenspins auf Oberflächen, die in atomar genauen Abständen zueinander platziert werden können.“

Sensor-Qubit

Mithilfe von STM montierten die Forscher ihr System auf der makellosen Oberfläche eines Magnesiumoxid-Doppelschichtfilms. Das System umfasst ein „Sensor“-Qubit, ein Spin-1/2-Titanatom, das sich direkt unter der STM-Spitze befindet. Die Spitze ist mit Eisenatomen beschichtet, sodass mit ihr ein lokales Magnetfeld angelegt werden kann (siehe Abbildung).

Auf beiden Seiten der Spitze befinden sich ein Paar „entfernter“ Qubits – ebenfalls Spin-1/2-Titanatome. Diese werden in präzisen Abständen vom Sensor-Qubit platziert, außerhalb des Bereichs, in dem Elektronentunnel zwischen Atomen auftreten können.

Um die entfernten Qubits gleichzeitig mit dem Sensor-Qubit zu steuern, erzeugte das Team einen Magnetfeldgradienten, indem es Eisenatome in der Nähe platzierte. Die Eisenatome verhalten sich wie Einzelatommagnete, da ihre Spinrelaxationszeiten die Betriebszeiten einzelner Qubits bei weitem übertreffen.

Auf diese Weise fungieren die Eisenatome jeweils als Ersatz für die STM-Spitze, indem sie ein statisches, lokales Magnetfeld zur Ausrichtung der Spins jedes entfernten Qubits bereitstellen. Übergänge zwischen den Spinzuständen der Qubits werden durchgeführt, indem mit der STM-Spitze Hochfrequenzimpulse auf das System angewendet werden – eine Technik, die als Elektronenspinresonanz bezeichnet wird.

Angesprochen und manipuliert

Das Team initialisierte ihre Qubits, indem es sie auf 0.4 K abkühlte und dann ein externes Magnetfeld anlegte, um sie in den gleichen Spinzustand zu bringen und sie miteinander zu koppeln. Danach hing der Zustand des Sensor-Qubits zuverlässig von den Zuständen beider entfernter Qubits ab, konnte aber weiterhin individuell von der STM-Spitze angesprochen und manipuliert werden.

Das Gesamtergebnis war eine völlig neue Qubit-Plattform, die den gleichzeitigen Betrieb mehrerer Qubits ermöglichte. „Unsere Studie hat einzelne Qubit-, zwei Qubit- und drei Qubit-Gatter mit guter Quantenkohärenz erreicht“, sagt Heinrich.

Er fügt hinzu: „Die Plattform hat ihre Vor- und Nachteile. Bei den Profis ist es atomar präzise und kann daher leicht dupliziert werden. Die Nachteile sind, dass die Quantenkohärenz gut ist, aber noch weiter verbessert werden muss.“

Wenn diese Herausforderungen gemeistert werden können, sehen Heinrich und seine Kollegen eine glänzende Zukunft für ihr System.

„Wir glauben, dass dieser Ansatz relativ einfach auf Dutzende von Elektronen-Qubits skaliert werden kann“, sagt Heinrich. „Diese Elektronenspins können auch kontrollierbar an Kernspins gekoppelt werden, was eine effiziente Quantenfehlerkorrektur ermöglichen und den verfügbaren Hilbert-Raum für Quantenoperationen vergrößern könnte.“ Wir haben gerade erst an der Oberfläche gekratzt!“

Die Forschung ist beschrieben in Wissenschaft.

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/three-qubit-computing-platform-is-made-from-electron-spins/