Elektronenparen in quantum dots als nieuwe basis voor qubits

Een conventionele computer voert bewerkingen uit met behulp van bits, die zowel nul als één kunnen zijn. Een quantumcomputer daarentegen gebruikt quantumbits of 'qubits'. Qubits kunnen fotonen zijn, of elektronen, of elk ander systeem dat kan bestaan in zogenaamde quantumtoestanden.

Omdat deze toestanden gelijktijdig kunnen bestaan - in tegenstelling tot conventionele bits - kun je veel meer informatie opslaan en een immense computerkracht creëren. Dit is vooral nuttig bij berekeningen met veel verschillende uitkomsten, zoals de zoektocht naar nieuwe medicijnen of materialen.

Gelijke spin

Een van de veelbelovende kandidaten als bouwsteen van een toekomstige quantumcomputer is een zogenaamde topologische qubit, gebaseerd op elektronenparen met gelijke spin. Paren van elektronen met tegengestelde spins (bekend als Cooperparen) zijn te vinden in veel van natuurlijk voorkomende supergeleiders. Materialen die Cooperparen van elektronen met gelijke spins bevatten, zijn echter veel moeilijker op een gecontroleerde manier te ontwikkelen, ondanks veelbelovende vooruitgang, aldus dr. Tom Dvir, onderzoeker bij QuTech - een samenwerkingsverband tussen de TU Delft en TNO - en een van de hoofdauteurs van de publicatie in Nature.

In deze publicatie tonen de onderzoekers nu wel het bestaan aan van een elektronenpaar met gelijke spin met behulp van quantum dots in een speciaal gegroeide nanodraad van halfgeleidermateriaal. "In dit onderzoek hebben we zulke elektronenparen gemeten tussen zogeheten spin-gepolariseerde quantum dots", zegt Dvir. "De elektronenparen worden vanuit een conventionele supergeleider opgewekt in de halfgeleidende nanodraad, waarvan de eigenschappen de gelijke spinpolarisatie afdwingen."

"Wij tonen de paren aan door te laten zien dat het breken van een Cooperpaar kan resulteren in twee elektronen met gelijke spinpolarisatie. Onze resultaten zijn zeer zuiver en tonen controleerbare detectie van deze paren in quantum dots." Het bereiken van koppeling in een reeks quantum dots is nodig voor het realiseren van een zogenaamde kunstmatige Kitaev-keten van meerdere quantum dots. Dat is een veelbelovende methode om topologische qubits te gebruiken.

Publicatiedetails

G. Wang, T. Dvir, G. P. Mazur, et al., ‘Singlet and triplet Cooper pair splitting in hybrid superconducting nanowires’, Nature (23 november 2022).