Die abstimmbare Kopplung zweier entfernter supraleitender Spin-Qubits

Quantencomputer, Computergeräte, die die Prinzipien der Quantenmechanik nutzen, könnten bei einigen komplexen Optimierungs- und Verarbeitungsaufgaben die klassische Informatik übertreffen. In Quantencomputern werden klassische Informationseinheiten (Bits), die einen Wert von 1 oder 0 haben können, durch Quantenbits oder Qubits ersetzt, die gleichzeitig eine Mischung aus 0 und 1 sein können.

Bisher wurden Qubits mithilfe verschiedener physikalischer Systeme hergestellt, von Elektronen über Photonen bis hin zu Ionen. In den letzten Jahren haben einige Quantenphysiker mit einer neuen Art von Qubits experimentiert, den sogenannten Andreev-Spin-Qubits. Diese Qubits nutzen die Eigenschaften supraleitender und Halbleitermaterialien, um Quanteninformationen zu speichern und zu manipulieren.

Ein Forscherteam der Technischen Universität Delft unter der Leitung von Marta Pita-Vidal und Jaap J. Wesdorp hat kürzlich die starke und einstellbare Kopplung zwischen zwei entfernten Andreev-Spin-Qubits demonstriert. Ihr Artikel, veröffentlicht in Natürliche Physikkönnte den Weg für die effiziente Realisierung von Zwei-Qubit-Gattern zwischen entfernten Spins ebnen.

„Die jüngste Arbeit ist im Wesentlichen eine Fortsetzung unserer Arbeit, die letztes Jahr veröffentlicht wurde Naturphysik„, sagte Christian Kraglund Andersen, korrespondierender Autor des Artikels, gegenüber Phys.org. „In dieser früheren Arbeit haben wir einen neuen Qubit-Typ namens Andreev-Spin-Qubit untersucht, der bereits zuvor von Yale-Forschern nachgewiesen wurde.“ “

Andreevs Spin-Qubits nutzen gleichzeitig die vorteilhaften Eigenschaften supraleitender und Halbleiter-Qubits. Diese Qubits entstehen im Wesentlichen durch die Integration eines Quantenpunkts in ein supraleitendes Qubit.

„Sobald das neue Qubit etabliert war, war die nächste natürliche Frage, ob wir zwei davon koppeln könnten“, sagte Andersen. „Ein 2010 veröffentlichtes theoretisches Papier schlug eine Methode zur Kopplung zweier dieser Qubits vor, und unser Experiment ist das erste, das diesen Vorschlag in der realen Welt umsetzt.“

Im Rahmen ihrer Studie stellten Andersen und seine Kollegen zunächst einen supraleitenden Schaltkreis her. Anschließend lagerten sie mit einer präzise gesteuerten Nadel zwei Halbleiter-Nanodrähte auf diesem Schaltkreis ab.

„Durch die Art und Weise, wie wir den Schaltkreis entworfen haben, haben die kombinierten Schaltkreise aus Nanodrähten und Supraleitern zwei supraleitende Schleifen geschaffen“, erklärte Andersen. „Die Besonderheit dieser Schleifen besteht darin, dass ein Teil jeder Schleife ein Halbleiter-Quantenpunkt ist. In dem Quantenpunkt können wir ein Elektron einfangen. Interessant ist, dass der Strom, der um die Schleifen fließt, nun vom Spin des eingefangenen Elektrons abhängt.“ Dieser Effekt ist interessant, weil er es uns ermöglicht, einen Superstrom aus Milliarden von Cooper-Paaren mit einem einzigen Spin zu steuern.

Der kombinierte Strom der beiden von den Forschern hergestellten gekoppelten supraleitenden Schleifen hängt letztendlich vom Spin in den beiden Quantenpunkten ab. Das bedeutet auch, dass die beiden Spins über diesen Superstrom gekoppelt sind. Bemerkenswert ist, dass diese Kopplung auch leicht gesteuert werden kann, entweder über das durch die Schleifen fließende Magnetfeld oder durch Modulation der Gate-Spannung.

„Wir haben gezeigt, dass wir mithilfe eines Supraleiters tatsächlich Rotationen über ‚lange‘ Distanzen koppeln können“, sagte Andersen. „Normalerweise tritt Spin-Spin-Kopplung nur dann auf, wenn zwei Elektronen sehr nahe beieinander sind. Beim Vergleich von Qubit-Plattformen auf Halbleiterbasis mit denen auf Basis supraleitender Qubits ist diese Anforderung an die Nähe l „einer der architektonischen Nachteile von Halbleitern.“

Supraleitende Qubits sind bekanntermaßen sperrig und nehmen daher viel Platz in einem Gerät ein. Der von Andersen und Kollegen eingeführte neue Ansatz ermöglicht eine größere Flexibilität beim Design von Quantencomputern, indem er die Kopplung und Zusammenführung von Qubits über große Entfernungen ermöglicht.

Diese aktuelle Studie könnte bald neue Möglichkeiten für die Entwicklung leistungsstarker Quantencomputergeräte eröffnen. In ihren nächsten Studien planen die Forscher, den vorgeschlagenen Ansatz auf eine größere Anzahl von Qubits auszuweiten.

„Wir haben sehr gute Gründe zu der Annahme, dass unser Ansatz erhebliche architektonische Fortschritte für die Kopplung mehrerer Spin-Qubits bringen könnte“, fügte Andersen hinzu. „Allerdings gibt es auch experimentelle Herausforderungen. Die aktuellen Kohärenzzeiten sind nicht sehr gut und wir gehen davon aus, dass das Kernspinbad des von uns verwendeten Halbleiters (InAs) daran schuld ist. Deshalb würden wir beispielsweise gerne auf eine sauberere Plattform umsteigen.“ auf Germaniumbasis, um die Konsistenzzeiten zu verlängern.“

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