30 jan 2023 (Nanowerk Nyheter) Kvantvetenskap har potential att revolutionera modern teknik med effektivare datorer, kommunikations- och avkänningsenheter. Utmaningar kvarstår dock för att uppnå dessa tekniska mål, inklusive hur man exakt manipulerar information i kvantsystem. I en tidning publicerad i Naturfysik ("Koherenta spin-dalsvängningar i kisel"), en grupp forskare från University of Rochester, inklusive John Nichol, en docent i fysik, skisserar en ny metod för att kontrollera elektronspin i kiselkvantprickar - små halvledare i nanoskala med anmärkningsvärda egenskaper - som ett sätt att manipulera information i ett kvantsystem. "Resultaten av studien ger en lovande ny mekanism för koherent kontroll av qubits baserad på elektronspin i halvledarkvantprickar, vilket kan bana väg för utvecklingen av en praktisk kiselbaserad kvantdator," säger Nichol. Forskare vid University of Rochester utvecklade en ny metod för att manipulera information i kvantsystem genom att kontrollera elektronernas spinn i kiselkvantprickar. Elektroner i kisel upplever ett fenomen som kallas spin-dal koppling mellan deras spin (upp och ner pilar) och daltillstånd (blå och röda orbitaler). När forskare applicerar en spänning (blått sken) på elektroner i kisel, utnyttjar de spin-dal-kopplingseffekten och kan manipulera spinn- och daltillstånden och kontrollera elektronspinningen. (Bild: Michael Osadciw)

Använda kvantprickar som kvantbitar

En vanlig dator består av miljarder transistorer som bearbetar bitar (den minsta dataenheten som en dator kan bearbeta och lagra). Kvantdatorer, å andra sidan, är baserade på kvantbitar, även kända som qubits. Till skillnad från vanliga transistorer, som kan vara antingen "0" (av) eller "1" (på), styrs qubits av kvantmekanikens lagar och kan vara både "0" och "1" samtidigt. Forskare har länge övervägt att använda kisel kvantprickar som qubits; att kontrollera elektronernas spinn i kvantprickar skulle erbjuda ett sätt att manipulera överföringen av kvantinformation. Varje elektron i en kvantpunkt har inneboende magnetism, som en liten stavmagnet. Forskare kallar detta "elektronspin" - det magnetiska moment som är associerat med varje elektron - eftersom varje elektron är en negativt laddad partikel som beter sig som om den snurrade snabbt, och det är denna effektiva rörelse som ger upphov till magnetismen. Elektronspinn är en lovande kandidat för överföring, lagring och bearbetning av information inom kvantberäkning eftersom det erbjuder långa koherenstider och hög gate-trohet och är kompatibel med avancerade halvledartillverkningstekniker. Koherenstiden för en kvantbit är tiden innan kvantinformationen går förlorad på grund av interaktioner med en bullrig miljö; lång koherens innebär en längre tid att utföra beräkningar. High gate fidelity innebär att de kvantoperationer som forskarna försöker utföra utförs precis som de vill. En stor utmaning med att använda kiselkvantprickar som qubits är dock att kontrollera elektronspin.

Kontrollerar elektronspin

Standardmetoden för att kontrollera elektronspin är elektronspinresonans (ESR), vilket innebär att man applicerar oscillerande radiofrekventa magnetfält på qubits. Denna metod har dock flera begränsningar, inklusive behovet av att generera och exakt kontrollera de oscillerande magnetfälten i kryogena miljöer, där de flesta elektronspin-qubits drivs. Vanligtvis, för att generera oscillerande magnetfält, skickar forskare en ström genom en tråd, och detta genererar värme, som kan störa kryogena miljöer. Nichol och hans kollegor beskriver en ny metod för att kontrollera elektronspin i kiselkvantprickar som inte är beroende av oscillerande elektromagnetiska fält. Metoden är baserad på ett fenomen som kallas "spin-dal-koppling", som uppstår när elektroner i kiselkvantprickar övergår mellan olika spinn- och daltillstånd. Medan spinntillståndet för en elektron hänvisar till dess magnetiska egenskaper, hänvisar daltillståndet till en annan egenskap relaterad till elektronens rumsliga profil. Forskarna applicerar en spänningspuls för att utnyttja spin-dal-kopplingseffekten och manipulera spin- och daltillstånden och kontrollera elektronspinningen. "Denna metod för koherent kontroll, genom spin-dal-koppling, möjliggör universell kontroll över qubits och kan utföras utan behov av oscillerande magnetfält, vilket är en begränsning av ESR," säger Nichol. "Detta tillåter oss en ny väg för att använda kiselkvantprickar för att manipulera information i kvantdatorer."

• SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
• Källa: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=62272.php