Engineering two-qubit gates via anisotropic exchange in germanium spin qubits

In de zoektocht naar het bouwen van een kwantumcomputer zoeken wetenschappers naar piepkleine, controleerbare systemen die informatie in een staat van superpositie kunnen vasthouden, waarbij ze in meerdere mogelijkheden tegelijk bestaan. Eén veelbelovende kandidaat voor deze rol is de "spin" van een enkel deeltje dat gevangen zit in een halfgeleiderchip. Stel je een minuscuul magneetje voor, ter grootte van een atoom, dat omhoog of omlaag kan wijzen, of zelfs een mix van beide. In de afgelopen jaren hebben onderzoekers ontdekt dat het gebruik van "gaten"—de afwezigheid van een elektron in een kristalrooster—binnen germaniumchips unieke voordelen biedt. Deze gaten interageren sterk met hun omgeving op een manier die wetenschappers in staat stelt om ze met elektriciteit te besturen in plaats van alleen met magnetische velden, wat ze snel en potentieel gemakkelijker beheersbaar maakt. Echter, voor een kwantumcomputer om complexe problemen op te lossen, moeten deze individuele deeltjes in staat zijn om met elkaar te communiceren, door informatie uit te wisselen of elkaars toestanden te veranderen. Dit gesprek wordt bemiddeld door een kracht genaamd uitwisselingsinteractie (exchange interaction), die gewoonlijk werkt als een eenvoudige, uniforme handdruk tussen twee buren. Maar in het germanium-systeem zijn de regels van deze handdruk veel ingewikkelder en interessanter dan voorheen werd gedacht.

Een team van onderzoekers bij IBM Research Europe heeft nu nauwkeurig in kaart gebracht hoe dit gesprek plaatsvindt tussen twee gatenspins in een germaniumchip. Ze ontdekten dat de interactie geen eenvoudige, uniforme kracht is, maar een complexe, richtinggevoelige kracht die verandert afhankelijk van hoe het magnetische veld georiënteerd is. Door de richting van het magnetische veld zorgvuldig aan te passen, ontdekten ze dat ze de interactie aan en uit konden zetten, en zelfs de aard ervan konden omkeren. In een standaardopstelling zouden twee kwantumbits op een vaste manier interageren, wat de soorten operaties die ze kunnen uitvoeren, beperkt. Hier lieten de onderzoekers zien dat ze, door simpelweg het magnetische veld te roteren, de interactie konden afstemmen van een positieve waarde, via nul, naar een negatieve waarde. Deze mogelijkheid om het teken van de interactie om te keren is een zeldzaam en krachtig hulpmiddel, dat een niveau van controle mogelijk maakt dat voorheen onmogelijk was met deze materialen.

Het team werkte met een apparaat dat twee piekleine vallen bevat, bekend als kwantumdots, waarin telkens een enkele gatenspin wordt vastgehouden. Ze plaatsten dit apparaat in een magnetisch veld en gebruikten een techniek genaamd spectroscopie om naar de "stem" van de spins te luisteren. Door te meten met welke frequentie de spins flipten, konden ze de sterkte en richting van de kracht die hen verbindt, afleiden. Ze ontdekten dat deze kracht zich opsplitst in twee duidelijke delen: één die werkt als een duw of trek langs een specifieke lijn, en een andere die werkt als een zijwaartse wisseling. De onderzoekers brachten in kaart hoe deze twee delen veranderden terwijl ze het magnetische veld in een driedimensionale ruimte roteerden. Ze observeerden dat het "duw of trek"-deel volledig kon verdwijnen, en daarna weer kon verschijnen met het tegenovergestelde effect. Dit betekent dat bij een specifieke hoek de spins elkaars energieniveaus niet meer op de gebruikelijke manier beïnvloeden, terwijl het "zijwaartse wisseling"-deel actief blijft.

Deze ontdekking stelde de wetenschappers in staat om een specifiek type kwantumgate te ontwerpen, een fundamentele bouwsteen voor kwantumlogica. Door het magnetische veld uit te lijnen op de precieze hoek waar de duw-trek-interactie verdween, bleven ze alleen over met de zijwaartse wisselingkracht. Vervolgens pasten ze een enkele, korte elektrische puls toe op de chip, waardoor de twee spins hun toestanden perfect van plek wisselden. Deze operatie, bekend als een iSWAP-gate, is een cruciale stap voor kwantumcomputers, maar is berucht moeilijk te realiseren in systemen waar de interactie vast en isotroop is. In dit germanium-systeem bereikten de onderzoekers deze gate in slechts 56 nanoseconden. Ze verifieerden het succes van de operatie door de toestand van de spins te meten vóór en na de puls, waarmee ze bevestigden dat de twee deeltjes inderdaad hun informatie met hoge nauwkeurigheid hadden uitgewisseld.

De studie onthulde ook dat het gedrag van deze spins diep verbonden is met de vorm van de magnetische respons van het materiaal zelf, bekend als de g-tensor. De onderzoekers maten deze vorm voor elke individuele spin en ontdekten dat hun lichte misuitlijning de sleutel was tot de richtinggevoelige interactie. Omdat de twee spins op een iets andere manier reageerden op het magnetische veld, werd de kracht tussen hen anisotroop, wat betekent dat deze afhankelijk is van de hoek van het veld. Deze bevinding suggereert dat de geometrie van het materiaal niet slechts een achtergronddetail is, maar een primaire controleknop voor kwantumoperaties. Het team mat de stabiliteit van de spins en vond dat ze hun kwantumtoestand meer dan 21 microseconden konden behouden, een duur die tot de beste behoort die voor dit type systeem is gerapporteerd.

Hoewel het experiment een gate met een hoge betrouwbaarheid (fidelity) demonstreerde, merkten de onderzoekers op dat de prestaties werden beperkt door de moeilijkheid van het uitlezen van de toestand van de spins bij die specifieke magnetische hoek, in plaats van door een fout in het mechanisme van de gate zelf. De studie biedt een duidelijk blauwdruk voor hoe men kwantuminteracties kan manipuleren, niet door de hardware te veranderen, maar door simpelweg aan een magnetische draaiknop te draaien. Deze aanpak biedt een nieuw pad voor het bouwen van kwantumcomputers waarbij de logische gates worden gedefieerd door de oriëntatie van een globaal veld, in plaats van door complexe, individuele bedrading voor elke afzonderlijke operatie. De mogelijkheid om de interactie af te stemmen van positief naar negatief, en om specifieke soorten kwantumbewegingen te isoleren, opent de deur naar het simuleren van complexe fysische systemen en het uitvoeren van berekeningen die voorheen buiten bereik lagen. Door deze richtinggevoelige krachten te begrijpen en te benutten, hebben de onderzoekers aangetoond dat germanium een veelzijdig platform is dat in staat is om de volgende generatie kwantumhardware te ondersteunen.