Para peneliti di University of Basel telah membuat kuantum lebih cepat dan lebih kuat pada saat yang sama. Di masa depan, ini dapat membantu dalam pengembangan komputer kuantum.
Ada harapan tinggi untuk komputer kuantum: mereka seharusnya melakukan perhitungan spesifik lebih cepat daripada superkomputer saat ini dan, oleh karena itu, memecahkan masalah ilmiah dan praktis yang tidak dapat diatasi untuk komputer biasa. Inti dari komputer kuantum adalah bit kuantum, qubit singkatnya, yang dapat direalisasikan dengan cara yang berbeda, misalnya, menggunakan tingkat energi atom atau putaran elektron.
Dilema qubit
Namun, ketika membuat qubit seperti itu, para peneliti menghadapi dilema: di satu sisi, qubit perlu diisolasi dari lingkungannya sebanyak mungkin. Kalau tidak, superposisi kuantumnya membusuk dalam waktu singkat dan perhitungan kuantum terganggu. Di sisi lain, orang ingin mengendarai qubit secepat mungkin dalam analogi dengan clocking bit klasik, yang membutuhkan interaksi yang kuat dengan lingkungan.
Biasanya, kedua kondisi ini tidak dapat dipenuhi pada saat yang sama, karena kecepatan mengemudi yang lebih tinggi secara otomatis melibatkan pembusukan superposisi yang lebih cepat dan, oleh karena itu, waktu koherensi yang lebih pendek. Sebuah tim yang dipimpin oleh Profesor Dominik Zumbühl di University of Basel kini telah berhasil menyesuaikan spin qubit dengan cara yang memungkinkan mereka untuk meningkatkan kecepatan dan waktu koherensi secara bersamaan. Hasil ini, baru -baru ini diterbitkan dalam jurnal ilmiah Komunikasi Alamjuga bisa membuat qubit lain lebih cepat dan lebih kuat di masa depan.
Menginjak akselerator dengan cara yang cerdas
“Awalnya, kami bertanya pada diri sendiri apa yang akan terjadi jika kami hanya 'menginjak akselerator' qubit kami – namun, tidak hanya dengan cara apa pun, tetapi cara yang cerdas”, kata Dr. Miguel J. Carballido, penulis pertama penelitian. Selama beberapa tahun, ia dan rekan -rekannya telah membangun sebuah perangkat kecil yang terdiri dari kawat yang terbuat dari bahan semikonduktor germanium, berukuran hanya dengan diameter 20 nanometer dan menampilkan lapisan silikon tipis. Mereka kemudian menghilangkan satu elektron dari tingkat energi kawat rendah atau lebih tinggi, yang menghasilkan “lubang”. “Lubang ini berperilaku mirip dengan gelembung udara”, kata Carballido.
Untuk sistem seperti itu, beberapa tahun yang lalu, tim fisikawan teoretis menyebabkan kerugian Daniel di Universitas Basel telah meramalkan mekanisme yang dapat mencapai hal yang mustahil: drive yang lebih cepat dan, pada saat yang sama, waktu koherensi yang lebih lama. “Kami mengeksploitasi jenis spin-orbit tertentu untuk ini”, Carballido menjelaskan. Dalam kopling spin -orbit, partikel bermuatan elektrik yang bergerak – elektron atau lubang – menciptakan medan magnet. Medan magnet ini, pada gilirannya, “pasangan” ke putaran partikel dan karenanya mempengaruhi energinya melalui interaksi magnetik. Untuk lubang dalam bahan solid-state, efek ini sangat kuat dan juga dapat dikendalikan secara elektrik.
Dengan menerapkan tegangan listrik ke kawat nano, oleh oleh karena itu, para peneliti Basel dapat mempengaruhi apakah lubang tersebut berasal terutama dari tingkat rendah atau dari tingkat energi yang lebih tinggi, atau campuran kedua level. Campuran ini memiliki pengaruh penting pada bagaimana “pedal akselerator” untuk mendorong qubit bereaksi: untuk campuran tertentu, dataran tinggi yang disebut muncul, yang berarti bahwa melangkah lebih keras pada akselerator tidak membuat drive lebih cepat, tetapi melambatnya.
Konsekuensi lain dari dataran tinggi ini adalah bahwa fluktuasi, misalnya karena medan listrik di lingkungan, mempengaruhi qubit jauh lebih sedikit daripada untuk kopling spin-orbit standar. Akibatnya, keadaan kuantum kurang terganggu, dan waktu koherensi meningkat. “Dengan cara ini, kami dapat meningkatkan waktu koherensi qubit kami empat kali lipat sementara juga membuat drive tiga kali lebih cepat”, kata Carballido. Dia juga menekankan kekhasan lebih lanjut: alih -alih suhu yang sangat rendah kurang dari 100 millikelvin yang biasanya diperlukan untuk mengoperasikan qubit, dia bisa lolos dengan 1,5 kelvin yang relatif hangat. “Itu membutuhkan lebih sedikit energi dan bekerja tanpa helium-3 langka”, katanya.
Untuk saat ini, trik dataran tinggi hanya bekerja di kawat nano yang dibuat di Basel, di mana lubang hanya dapat bergerak dalam satu dimensi spasial. Namun, Zumbühl dan kolaboratornya berharap bahwa metode mereka dapat segera diterapkan pada semikonduktor dua dimensi dan untuk jenis qubit lainnya. Itu akan menjadi kontribusi penting terhadap komputer kuantum yang lebih kuat.
Penelitian ini adalah hasil kolaborasi antara University of Basel, NCCR Spin, University of Oxford, dan Eindhoven University of Technology.
Publikasi asli
Miguel J. Carballido et al.
Penskalaan bebas kecepatan dan koherensi bebas kompromi
Nature Communications (2025), doi: 10.1038/s41467-025-62614-z
Pusat Kompetensi Nasional dalam putaran penelitian
Pekerjaan ini dilakukan sebagai bagian dari National Center of Competence in Research Spin, yang dipimpin oleh University of Basel. Spin NCCR berfokus pada qubit spin yang dapat diskalakan dalam struktur nano semikonduktor yang terbuat dari silikon dan germanium dan mengembangkan qubit kecil dan cepat untuk komputer kuantum universal. Jaringannya menyatukan kelompok -kelompok penelitian dari bidang fisika eksperimental dan teoretis, ilmu material, teknik, dan ilmu komputer, termasuk EPFL, ETH Zurich, dan IBM Research Europe.
