Superfast hole spin qubits enabled by uniaxial strain-boosted spin-orbit coupling

In de zoektocht naar het bouwen van een quantumcomputer zoeken wetenschappers naar een manier om de kleinste stukjes informatie, bekend als qubits, met extreme snelheid en precisie te besturen. Een veelbelovende aanpak houdt in dat men de "spin" van een deeltje gebruikt, een fundamentele eigenschap die werkt als een klein intern kompasnaaldje om gegevens op te slaan. Hoewel magnetische velden traditioneel zijn gebruikt om deze spins om te keren, streeft modern onderzoek ernaar om ze met elektrische velden te besturen, wat sneller en gemakkelijker te beheren is in minuscule elektronische circuits. Echter, een grote hindernis is geweest dat in veel gangbare halfgeleidermaterialen de verbinding tussen het elektrische veld en de spin te zwak is om nuttig te zijn. Deze zwakke schakel dwingt apparaten om op pijnlijk langzame snelheden te werken of vereist dat ze worden gekoeld tot temperaturen nabij het absolute nulpunt, enkel om te kunnen functioneren. Om dit te overwinnen, zoeken onderzoekers naar manieren om de interactie tussen elektriciteit en spin te versterken, in de hoop een nieuwe generatie ultrasnelle quantumprocessoren te ontsluiten die op een dag de meest geavanceerde computers die we nu hebben zouden kunnen overtreffen.

Een team van onderzoekers heeft nu een manier geïdentificeerd om deze verbinding drastisch te versterken in een specifiek type halfgeleiderstructuur gemaakt van germanium en silicium-germanium. Door een specifiek type mechanische spanning toe te passen, bekend als uniaxiale spanning, waren zij in staat om het vermogen van elektrische velden om de spin van "gaten" te manipuleren te vergroten — waarbij gaten in essentie de afwezigheid van een elektron zijn die fungeert als een positieve ladingsdrager. In hun simulaties ontdekten de onderzoekers dat het rekken van het materiaal in een precieze richting langs de [110]-as, een standaardtechniek in de moderne chipproductie, de energieniveaus van de gaten deed verschuiven op een manier die hun gevoeligheid voor elektrische velden enorm verbeterde. Deze verbetering is zo significant dat het het gedrag van het materiaal transformeert, waardoor het vergelijkbaar wordt met de meest geavanceerde tweedimensionale materialen die hiervoor bekend staan. Het resultaat is een systeem waarbij de spin kan worden omgedraaid met een elektrisch veld met een snelheid van 40 gigahertz, een snelheid die meer dan tien keer sneller is dan wat momenteel wordt bereikt door andere leidende quantumcomputingplatforms.

De onderzoekers bereikten dit door een quantumwell te modelleren, een dunne laag germanium ingeklemd tussen lagen silicium-germanium, en een compressieve spanning toe te passen langs de [110]-richting. In hun berekeningen observeerden zij dat deze spanning twee verschillende soorten gatstoestanden mengt, lichte gaten en zware gaten, die normaal gesproken gescheiden blijven. Dit mengen is de sleutel die de sterke interactie tussen het elektrische veld en de spin ontsluit. Wanneer zij een spanning van slechts 0,4 procent toepasten, nam de sterkte van deze interactie met een factor van ongeveer dertig tot vierentwintig toe, afhankelijk van de meetrichting. Dit is een enorme sprong ten opzichte van de zwakke interactie die wordt gevonden in ongespande materialen, wat de snelheid van huidige apparaten beperkt. Bovendien ontdekten het team dat door ook een ander type interne spanning, genaamd biaxiale spanning, te verminderen, zij de interactiesterkte nog verder konden verhogen, tot niveaus die wedijveren met de beste materialen die in de natuur voor dit specifieke doel te vinden zijn.

Misschien wel het belangrijkste is dat de studie onthult dat deze extreme snelheid niet ten koste gaat van de nauwkeurigheid. In veel quantumsystemen zorgt het verhogen van de operationele snelheid er vaak voor dat het systeem kwetsbaarder wordt voor ruis en fouten, waardoor de informatie degradeert. De onderzoekers ontdekten echter dat het systeem bij deze hoge snelheden een nieuw regime betreedt waarin het van nature immuun is voor gate-controle-geïnduceerde elektrische ruis, een specifiek type elektrische ruis die de qubit gewoonlijk verstoort. Dit betekent dat het apparaat op deze ongekende snelheden van 40 gigahertz kan opereren terwijl het een hoge fidelity, of nauwkeurigheid, behoudt in zijn berekeningen, ervan uitgaande dat de gate-fidelity binnen het mogelijke bereik valt. Het team identificeerde ook een "sweet spot" in de sterkte van het elektrische veld waar de interactie wordt gemaximaliseerd, wat een duidelijk doel biedt voor ingenieurs bij het bouwen van deze apparaten. Deze ontdekking suggereert dat het door het gebruik van standaard fabricagetechnieken om spanning toe te passen, mogelijk is om hole-gebaseerde spinqubits te creëren die niet alleen ongelooflijk snel zijn, maar ook robuust genoeg zijn om de basis te vormen voor schaalbare quantumcomputers.

De implicaties van dit werk reiken verder dan alleen een snellere processor. Het vermogen om spins met elektrische velden met zulke hoge snelheden te besturen, opent de deur naar het uitvoeren van complexe berekeningen in een fractie van de tijd die het momenteel kost. De onderzoekers merken op dat deze aanpak volledig compatibel is met de bestaande complementary metal-oxide-semiconductor, of CMOS-technologie, die de overgrote meerderheid van de wereldwijde elektronische apparaten aandrijft. Deze compatibiliteit is cruciaal omdat het betekent dat de weg naar het bouwen van deze geavanceerde quantumcomputers niet vereist om geheel nieuwe productieprocessen vanaf nul uit te vinden. In plaats daarvan berust het op het verfijnen van de technieken die al worden gebruikt om snellere en efficiëntere transistoren te maken. Door de kracht van spanning-engineering te benutten, biedt dit onderzoek een duidelijke en praktische route naar het verbeteren van de prestaties van halfgeleidergebaseerde quantumapparaten, wat de era van praktische quantumcomputing potentieel dichter bij de realiteit brengt.