Spin qubits gaan op de trampoline

Spin qubits gaan op de trampoline om quantum gates te maken en koppelen met andere spin qubits op de chip. Foto: Studio Oostrum voor QuTech.

In 1998 publiceerden Loss en DiVincenzo het baanbrekende werk ‘quantum computation with quantum dots’. In hun oorspronkelijke werk werd het huppelen van spins voorgesteld als basis voor qubit logica, maar een experimentele implementatie bleef uit. Na meer dan 20 jaar hebben de experimenten de theorie ingehaald. Onderzoekers van QuTech – een samenwerking tussen de TU Delft en TNO – hebben aangetoond dat de oorspronkelijke ‘hopping gates’ inderdaad mogelijk zijn, met zelfs zeer geavanceerde prestaties.

Aansturing vereenvoudigen
Qubits gebaseerd op quantumdots worden wereldwijd bestudeerd omdat ze beschouwd worden als een aantrekkelijk uitgangspunt voor de bouw van een quantumcomputer. De meest populaire aanpak is om een enkel elektron te vangen en een magnetisch veld toe te passen, waardoor de spin van het elektron gebruikt kan worden als een qubit en bestuurd kan worden door microgolfsignalen.

In dit werk tonen de onderzoekers echter aan dat er geen microgolfsignalen nodig zijn. In plaats daarvan zijn basisbandsignalen en kleine magnetische velden voldoende om universele qubit-aansturing te bereiken. Dat is nuttig omdat het de besturingselektronica die nodig is om toekomstige quantumprocessoren te laten werken aanzienlijk kan vereenvoudigen.

Van spins die huppelen naar salto’s maken
Het beheersen van de spin vereist het huppelen van quantum dot naar dot en een fysisch mechanisme dat in staat is om die te laten roteren. In eerste instantie werd in het voorstel van Loss en DiVincenzo gebruik gemaakt van een specifiek type magneet, wat experimenteel moeilijk te realiseren bleek. In plaats daarvan pionierde de groep van QuTech met germanium. Deze halfgeleider zou op zichzelf al spinrotaties mogelijk kunnen maken. Dit wordt gemotiveerd door werk dat is gepubliceerd in Nature Communications, waarin Floor van Riggelen–Doelman en Corentin Déprez van dezelfde groep laten zien dat germanium kan dienen als platform voor het huppelen van spin-qubits als basis voor het maken van kwantumkoppelingen. Zij namen de eerste aanwijzingen van spinrotaties waar.

Als je het verschil tussen huppelende en salto’s makende qubits beschouwd, beeld je quantum dot arrays dan in als een trampolinepark, waar elektronen spins zijn als mensen die springen. Gewoonlijk heeft elke persoon een eigen trampoline, maar ze kunnen ook naar naburige trampolines springen als die beschikbaar zijn. Germanium heeft een unieke eigenschap: door van de ene trampoline naar de andere te springen, ervaart een persoon een krachtmoment waardoor hij een salto maakt. Door deze eigenschap kunnen onderzoekers de qubits doeltreffend besturen.

Eerste auteur van het Science-artikel, Chien-An Wang, verduidelijkt: “Germanium heeft het voordeel dat spins langs verschillende richtingen uitgelijnd kunnen worden in verschillende quantum dots.” Het bleek dat er hele goede qubits gemaakt kunnen worden door spins te laten huppelen tussen zulke quantum dots. “We hebben een foutmarge gemeten van minder dan duizend voor één-qubit poorten en minder dan honderd voor twee-qubit poorten.”

Salto’s van qubits in een trampolinepark
Nadat het team controle had gekregen over twee spins in een systeem met vier quantumdots, onderzocht het team ook het rondhuppelen over meerdere quantumdots. Analoog daaraan zou dit overeenkomen met een persoon die over vele trampolines huppelt en salto’s maakt.  Co-auteur Valentin John legt uit: “Voor quantum computing is het nodig om grote aantallen qubits met hoge precisie te bedienen en te koppelen.”

Verschillende trampolines zorgen ervoor dat mensen verschillende draaimomenten ervaren bij het springen, en op dezelfde manier resulteren spins tussen quantumdots ook in unieke rotaties. Het is dus belangrijk om de variabiliteit te karakteriseren en te begrijpen. Co-auteur Francesco Borsoi: “We hebben besturingsroutines ontwikkeld die het mogelijk maken om spins te laten huppelen naar elke quantumdot in een verzameling van 10 quantumdots, waardoor we belangrijke qubitkenmerken kunnen onderzoeken in uitgebreide systemen”.

Hoofdonderzoeker Menno Veldhorst vat samen: “Ik ben trots op al het teamwerk. In een tijdsbestek van een jaar werd de observatie van qubitrotaties als gevolg van huppen een instrument dat door de hele groep wordt gebruikt. Wij geloven dat het van cruciaal belang is om efficiënte regelschema’s te ontwikkelen voor de werking van toekomstige quantumcomputers en deze nieuwe aanpak is veelbelovend.”