FRINATEK-Fri prosj.st. mat.,naturv.,tek

Flere aspekter ved kvantemekanikk er vanskelige å forstå intuitivt, som prinsippet om at partikkeler kan være i en superposisjon av flere tilstander på samme tidspunkt. Imidlertid viser seg det at disse absurde konsepter kan utnyttes til å skape ny og revolusjonerende kvanteteknologi. En av de mest spennende er kvanteberegninger, hvor informasjonen kodes i såkalte kvantebiter (qubiter) istedenfor klassiske biter. På grunn av at qubitene både kan være sammenfiltret med hverandre og være i en superposisjon av 0 og 1, kan kvantedatamaskiner utføre enkelte viktige oppgaver eksponentielt raskere enn vanlige datamaskiner. Eksempler på slike oppgaver er søking i databaser og primtallfaktorisering. Jakten på den optimale fysiske implementasjonen av en qubit er i full gang, og nå har søket blitt snevret inn til noen få lovende kandidater. Den kvanteprikkbaserte spinn-qubiten er en av de mest realiserbare og skalerbare qubitene som har blitt foreslått så langt: Ideen er å fange enkeltelektroner i en halvleder, for så å kode kvanteinformasjonen inn i spinntilstanden deres (som kan være «opp» eller «ned»). Det har vært en enorm fremgang i dette feltet gjennom de siste to tiårene. En av de største hindrene er forstyrrelser fra atomkjernene i halvlederen hvor elektronene befinner seg. Atomkjernene har egne spinn som interagerer mellom hyperfinvekselvirkning med elektronspinnene og destabiliserer qubitene. Hovedformålet med prosjektet mitt er å finne den beste løsningen på dette problemet. Så langt har vi gjort flere lovende funn, som førte til åtte publikasjoner i høyprofilerte tidsskrift: (1) Å bruke mer enn en spinn for å kode en qubit i har viktige fordeler når det gjelder qubit-kontroll. Vi oppdaget en måte å konstruere en qubit ved å bruke seks spinn i en lineær rekke med tre kvantepunkter som har alle disse fordelene men i tillegg er iboende ufølsom for atomspinnene. I juni 2021 ble vi kontaktet av to av verdens ledende eksperimentelle grupper som prøver å realisere vår ide. (2) Den mye studerte tre-prikk tre-spinn-qubiten er sårbar mot atomspinnsfluktuasjoner. Vi oppdaget at det å føre en elektrisk strøm gjennom de tre prikkene på en spesifikk måte kan gi opphav til en feedback prosess som kan innstilles slik at den samlede effekten er en undertrykkelse av skadelige atomspinnsvinginger, som deretter vil forbli undertrykt i flere sekunder. Dette gir dermed en praktisk prosedyre for å "rense" polarisasjonen på prikkene før man bruker dem til å lagre en qubit. (3) En annen måte å redusere effekten av atomspinnene er å kode qubitene i spinn til elektroner som er *fjernet* fra halvlederen. Det viser seg at, på grunn av deres underliggende bølgefunskjon, disse såkalte hullene kobler veldig svakt til atomspinn. Denne innsikten førte til en veldig nylig økning i interessen for hullspinn-qubiter. Imidlertid kommer deres forskjellige bølgefunksjon også med flere komplikasjoner som gjør måten hullet kobler til magnetfelt (som er en viktig ingrediens for definisjon og kontroll av en qubit) mye mer intrikat. Vi utarbeidet en materialuavhengig teori for å forstå alle detaljer i denne koblingen. (4) Den gjenværende vekselvirkningen mellom hull og atomspinn avhenger selvfølgelig av materialvalg, men er også kvalitativt forskjellig fra koblingen mellom elektroner og atomspinn. Å forstå detaljene i koblingen er avgjørende for å vurdere kvaliteten på de resulterende qubitene. Vi utviklet en teori for å koble transportmålinger som er rapportert det siste året til detaljene i hyperfinvekselvirkningen, og gir dermed et verktøy for å få direkte innsikt i den eksakte arten av koblingen. (5) Vi samarbeidet med en eksperimentell gruppe fra IST Austria for å forske på de egenskapene til et Ge-basert hullsystem, og vi målte forskjellige materialparametere som er relevant for hullspinn-qubiter i Ge. (6) Med eksperimentelle samarbeidspartnere fra ETH Zürich utviklet vi en ny type halvledende system som kan være vert for spinn-qubiter. Vårt bidrag var å analysere dataene deres og bevise at spinnene opplevde veldig svak spinn-bane-vekselvirkning. Denne vekselvirkningen er skadelig for spinn-qubiter på flere måter, og er vanligvis sterk i materialet som ble brukt (InAs). Vår oppdagelse av hvordan vi kan undertrykke denne vekselvirkningen i InAs introduserer dermed en helt ny materialplattform for spinn-qubiter, med flere betydelige fordeler når det gjelder følsomhet for varme og støy. (7) Vi presenterte en ny teori for å forstå forskellige resonanser som vanligvis blir målt når spinn-qubitter drives av et oscillerende elektrisk felt (som er et vanlig verktøy for kontroll og spektroskopi). Vi forbandt flere særegne egenskaper med underliggende fysiske mekanismer og utviklet et nytt verktøy for å forske på relevante materialparametere. (8) Vi bidro til en kort review artikkel som forklarer hvordan beskyttelsen mot atomspinnsvinginger virker i seks-spinn qubiten vi har foreslått.

The objective of this project was to solve the main challenges in the further development of multi-spin exchange-only spin qubits. All three lines of research we performed revolved around the question how one can mitigate the qubit decoherence caused by the randomly fluctuating nuclear spins of the host semiconductor in which the qubits are defined; the most important outcomes in the three directions were as follows: (1) We discovered a practical way in which running an electric current through the system suppresses the harmful fluctuations. (2) We proposed new ways to encode exchange-only spin qubits in so-called decoherence-free subspaces, where they are insensitive to magnetic noise, such as caused by the nuclear spins. (3) We developed advanced theories to understand the detailed spin physics of hole spin qubits hosted in nuclear-spin-free materials such as Si-28. The short-term impacts of our findings will be mostly within the research field of spin-based quantum information processing. Especially the results mentioned under (2) and (3) generated much attention: Our main proposal of the decoherence-free spin qubit has been picked up by several experimental groups around the world, who actually started efforts to try to implement our idea. Our detailed understanding of several aspects of hole-spin physics in Si- and Ge-based structures quickly became well-cited and has thus been recognized by the community as a resource for designing the optimal hole spin qubit in nuclear-spin-free materials. Another, more abstract, impact of the results is that they put Norway more visibly on the map in the area of quantum computing and quantum technologies in a broader sense. Based on the expertise we demonstrated through the scientific dissemination channels, world-leading experimental groups in the field started contacting us for assistance with the interpretation of their data. More concretely, this led so far to two collaborations in both of which we revealed the potential of a completely new material platform for hosting spin qubits. Finally, in a broader picture, one can say that our results contribute to the global efforts to develop a quantum computer, which will have a disruptive impact on society as a whole. The specific strength of a quantum computer lies in solving problems that require some type of “optimization,” in other words, identifying the right answer in a large set of possible answers. Envisioned applications range from drug development and image recognition to battery research and 100% secure communication, and could thus have a significant impact on health care, safety, and the green energy transition.

One of the more promising qubits proposed so far is the quantum-dot-based exchange-only qubit, which encodes quantum information in multi-particle spin states of electrons localized inside quantum dots created in a semiconductor structure. These qubits are conceptually simple and scalable, they rely on well developed experimental techniques, and can be operated fully electrically. The first attempts to create and operate such a qubit were promising, but also identified obstacles to further progress: Apart from being relatively sensitive to charge noise, exchange-only qubits couple to the fluctuating spins of the atomic nuclei of the host semiconductor. This coupling leads to decoherence, typically on the scale of tens of nanoseconds. I want to solve the intrinsic problem of the nuclear spins and identify the optimal way forward for the exchange-only qubit. Roughly speaking, I will investigate two approaches: (1) I want to find a way to suppress or circumvent the effect of nuclear spin fluctuations in the commonly used III-V semiconductors, while keeping the qubit as much protected from charge noise as possible. (2) I want to determine the optimal implementation of such a qubit in (nuclear-spin-free) Si. Here, understanding the role of the multi-valley structure of the conduction band edge in Si is crucial. If this indeed provides a solution to the problems, the exchange-only qubit will become a qubit of unprecedented quality with a high potential to win the race.