Kvantdatorer, system som bearbetar information med hjälp av kvantmekaniska effekter, kan på ett tillförlitligt sätt hantera olika beräkningsproblem som inte kan lösas av klassiska datorer. Dessa system bearbetar information i form av kvantbitar, informationsenheter som kan existera i två tillstånd samtidigt (0 och 1).
Hålspinn, det inneboende vinkelmomentet hos hål (dvs. saknade elektroner i halvledare som kan fångas i nanoskalaområden som kallas kvantprickar), har använts i stor utsträckning som kvantbitar. Dessa spinn kan kontrolleras med hjälp av elektriska fält, eftersom de starkt påverkas av en kvanteffekt som kallas spinn-bana-koppling, som kopplar partiklarnas rörelse till deras magnetism.
Tyvärr är hålspinn-kubiter på grund av denna spin-orbit-koppling också kända för att vara mycket känsliga för brus, inklusive slumpmässiga elektriska störningar som kan orsaka dekohären. Detta kan i sin tur leda till förlust av värdefull kvantinformation.
Forskare vid Pheliqs, ett gemensamt laboratorium mellan CEA och Grenoble University, har utarbetat en strategi som kan möjliggöra optimal drift av hålspinnkvantbitar.
Deras föreslagna tillvägagångssätt, som beskrivs i en artikel i Nature Physics, bygger på implementeringen av unika magnetfältsriktningar, så kallade sweet spots, som gör kvantbitarna resistenta mot elektriskt brus utan att påverka hur lätt de kan kontrolleras.
”På många kvantbitplattformar är driftsnoggrannheten fortfarande begränsad av brus som uppstår genom koppling till omgivningen, vilket utgör ett stort hinder för realiseringen av storskaliga kvantdatorer”, säger dr Vivien Schmitt och dr Marion Bassi, seniorförfattare respektive försteförfattare till artikeln.
”Att förstå dessa huvudsakliga källor till brus och deras inverkan på kvantbitens egenskaper är en central fråga som motiverar detta arbete, vilket vi kan sammanfatta i två punkter: kan vi förstå hur kvantbiten reagerar på vissa typer av brus och kan vi utnyttja anisotropin i kvantbitens egenskaper till vår fördel?”
Anordning och mätning av longitudinell spin-elektrisk susceptibilitet. Källa: Nature Physics (2025). DOI: 10.1038/s41567-025-03106-1
Stöd för tillförlitlig inställning av spinhålskvantbitar
Dr Schmitt, Dr Bassi och deras kollegor satte sig för att studera hur driftshastigheten och koherensen hos en hålspinnkvantbit påverkas av elektriskt brus vid olika magnetfältsorienteringar. För att göra detta skapade de en kvantbit bestående av ett enda hål instängt i en kiselkvantprick, applicerade sedan ett magnetfält på den i olika riktningar och observerade effekterna av dessa riktningsskillnader.
”Det system vi studerade består av en kisel-nanotråd, överlagrad av grindar som liknar en liten MOSFET-transistor, och spänningar som gör det möjligt för oss att fånga en enda laddning i nanotråden vid djupa kryogena temperaturer”, förklarade Dr. Schmitt.
”Under ett externt magnetfält är spinn på denna laddning vår kvantbit. En central fråga för en hålspinnkvantbit är att veta hur länge och hur snabbt vi kan utföra kvantoperationer (grindar) på vår kvantbit i närvaro av elektriskt brus.”
Forskarna upptäckte förekomsten av magnetfältsorienteringar som de kallar ”sweet spots”. Vid dessa orienteringar blir en kvantbit okänslig för elektriska fluktuationer, vilket i sin tur resulterar i en förbättring av dess koherenstid.
”Våra resultat visar att denna förbättring kan uppnås samtidigt som en hög drivningseffektivitet bibehålls, två nyckeltal som vanligtvis är motstridiga”, säger Dr. Bassi. ”Motiverade av dessa resultat undersökte vi vidare i vilken utsträckning en förändring av sättet på vilket hålet fångas (dvs. en förändring av spänningarna som appliceras på de närliggande grindarna) skulle påverka sådana motståndskraftiga punkter med förbättrade egenskaper.”
Dr Schmitt, Dr Bassi och deras kollegor använde därefter samma experimentella metoder för att ställa in en andra kvantbit till samma sweet spot som den första. Testet var framgångsrikt, vilket tyder på att deras metod kan tillämpas på större system som innehåller ett större antal kvantbitar.
Framtida uppskalning av teamets metod
I de inledande experimenten visade sig teamets metod på ett tillförlitligt sätt optimera driften av två kvantbitar, vilket minskade deras känslighet för elektriskt brus utan att påverka deras respons på elektriska styrsignaler.
Även om forskarna hittills har tillämpat sin föreslagna strategi på kiselbaserade kvantbitar, kan den också tillämpas på kvantbitar i andra supraledande material, såsom germanium.
”Att uppnå okänslighet för den huvudsakliga störningskällan och samtidigt öka drivnings effektiviteten är det ideala scenariot för alla kvantbitsystem”, säger Dr Schmitt. ”I dessa experiment kunde vi ställa in vår spinkvantbit i ett win-win-läge som kan ses som motsvarigheten till transmon-läget för supraledande kvantbitar. Vi visade sedan att flera (2) kvantbitar kan stämmas in i detta läge samtidigt, båda med hög precision.”
I framtiden kan denna nya studie bidra till utvecklingen av högpresterande kvantdatorer baserade på hålspinnkvantbitar som kan användas på ett tillförlitligt sätt i verkliga miljöer.
Under tiden arbetar Dr. Schmitt och hans laboratorium med ytterligare strategier som hanterar kvantbitars känslighet för brus och som kan minska relaterade fel.
”Nu när laddningsbruset har hanterats måste vi ta itu med nästa källa till brus, magnetiskt brus som uppstår från kärnspinn i materialet”, tillade Dr. Schmitt.
”Två tillvägagångssätt kan tänkas, antingen brute-force genom att ta bort dem med hjälp av isotopiskt renat kisel, eller genom att noggrant konstruera det kärnspinnbad där kvantbitarna finns.”
Publiceringsinformation
M. Bassi et al, Optimal operation of hole spin qubits, Nature Physics (2025). DOI: 10.1038/s41567-025-03106-1. På arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2412.13069
