Quantencomputer haben das Potenzial, zu revolutionären Werkzeugen zu werden, da sie Berechnungen durchführen können, für deren Lösung klassische Computer viele Jahre benötigen würden.
Für den Bau eines leistungsfähigen Quantencomputers ist jedoch ein zuverlässiges Quantenbit bzw. Qubit erforderlich, das über einen ausreichend langen Zeitraum (die sogenannte Kohärenzzeit) gleichzeitig im Zustand 0 oder 1 existieren kann.
Ein vielversprechender Ansatz ist das Einfangen eines einzelnen Elektrons auf einer festen Neonoberfläche, ein sogenanntes Elektron-auf-Festkörper-Neon-Qubit. Eine von Professor Wei Guo vom FAMU-FSU College of Engineering geleitete Studie, die veröffentlicht In Briefe zur körperlichen Überprüfung zeigt neue Einblicke in den Quantenzustand, der den Zustand der Elektronen auf einem solchen Qubit beschreibt, Informationen, die Ingenieuren beim Aufbau dieser innovativen Technologie helfen können.
Guos Team fand heraus, dass kleine Unebenheiten auf der Oberfläche des festen Neons im Qubit Elektronen auf natürliche Weise binden können, wodurch ringförmige Quantenzustände dieser Elektronen entstehen. Der Quantenzustand bezieht sich auf die verschiedenen Eigenschaften eines Elektrons, wie Position, Impuls und andere Merkmale, bevor sie gemessen werden. Wenn die Unebenheiten eine bestimmte Größe haben, stimmt die Übergangsenergie des Elektrons – die Energiemenge, die ein Elektron benötigt, um von einem Quantenringzustand in einen anderen zu gelangen – mit der Energie von Mikrowellenphotonen, einem anderen Elementarteilchen, überein.
Diese Ausrichtung ermöglicht eine kontrollierte Manipulation der Elektronen, die für die Quantenberechnung erforderlich ist.
„Diese Arbeit erweitert unser Verständnis des Elektroneneinfangmechanismus auf einer vielversprechenden Quantencomputerplattform erheblich“, sagte Guo. „Sie klärt nicht nur rätselhafte experimentelle Beobachtungen, sondern liefert auch entscheidende Erkenntnisse für das Design, die Optimierung und die Steuerung von Elektronen-auf-Festkörper-Neon-Qubits.“
Frühere Arbeiten von Guo und seinen Mitarbeitern zeigten die Machbarkeit einer Festkörper-Einzelelektronen-Qubit-Plattform unter Verwendung von in festem Neon gefangenen Elektronen. Jüngste Forschungen zeigten Kohärenzzeiten von bis zu 0,1 Millisekunde, also 100 Mal länger als die typischen Kohärenzzeiten von 1 Mikrosekunde für herkömmliche halbleiter- und supraleiterbasierte Ladungs-Qubits.
Die Kohärenzzeit bestimmt, wie lange ein Quantensystem einen Überlagerungszustand aufrechterhalten kann – die Fähigkeit des Systems, sich bis zu einer Messung gleichzeitig in mehreren Zuständen aufzuhalten. Dies ist eine Eigenschaft, die Quantencomputern ihre einzigartigen Fähigkeiten verleiht.
Die verlängerte Kohärenzzeit des Elektron-auf-Festkörper-Neon-Qubits kann auf die Inertheit und Reinheit von festem Neon zurückgeführt werden. Dieses Qubit-System befasst sich auch mit dem Problem der Flüssigkeitsoberflächenvibrationen, ein Problem, das dem ausführlicher untersuchten Elektron-auf-Flüssigkeits-Helium-Qubit innewohnt. Die aktuelle Forschung bietet entscheidende Erkenntnisse zur weiteren Optimierung des Elektron-auf-Festkörper-Neon-Qubits.
Ein entscheidender Teil dieser Optimierung besteht darin, Qubits zu schaffen, die auf der gesamten Oberfläche glatt sind, aber dort, wo sie benötigt werden, Unebenheiten der richtigen Größe aufweisen. Die Designer wollen möglichst wenige natürlich vorkommende Unebenheiten auf der Oberfläche, die störende elektrische Hintergrundladung anziehen. Gleichzeitig verbessert die gezielte Herstellung von Unebenheiten der richtigen Größe innerhalb des Mikrowellenresonators auf dem Qubit die Fähigkeit, Elektronen einzufangen.
„Diese Forschung unterstreicht die dringende Notwendigkeit weiterer Studien darüber, wie sich unterschiedliche Bedingungen auf die Herstellung von Neon-Qubits auswirken“, sagte Guo. „Temperatur und Druck bei der Neon-Injektion beeinflussen das endgültige Qubit-Produkt. Je mehr Kontrolle wir über diesen Prozess haben, desto präziser können wir bauen und desto näher kommen wir dem Quantencomputing, das derzeit undurchführbare Berechnungen lösen kann.“
Co-Autoren dieses Artikels waren Toshiaki Kanai, ein ehemaliger Doktorand im Fachbereich Physik der FSU, und Dafei Jin, außerordentlicher Professor an der University of Notre Dame.
Mehr Informationen:
Toshiaki Kanai et al, Einzelelektronen-Qubits basierend auf Quantenringzuständen auf fester Neonoberfläche, Briefe zur körperlichen Überprüfung (2024). DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.250603