Tre-qubit computerplatform er lavet af elektronspin – Physics World

Tre-qubit computerplatform er lavet af elektronspin – Physics World

Tidsstempel: 28. oktober 2023 kl. 10

Elektron spin qubits
Multiple qubit-platform: I dette diagram driver en STM-spids belagt med jern (øverst) sensorens spin-qubit. Også vist er de fjerne spin-qubits, som er justeret af magnetfelterne i nærliggende jernatomer. (Med høflighed: Institut for Grundvidenskab)

En kvantecomputerplatform, der er i stand til samtidig drift af flere spin-baserede kvantebits (qubits), er blevet skabt af forskere i Sydkorea. Designet af Yujeong Bae, Soo-hyon Phark, Andreas Heinrich og kolleger ved Institute for Basic Science i Seoul, er systemet samlet atom-for-atom ved hjælp af et scanning tunneling microscope (STM).

Mens fremtidens kvantecomputere burde være i stand til at overgå konventionelle computere til visse opgaver, er nutidens begyndende kvanteprocessorer stadig for små og støjende til at lave praktiske beregninger. Der skal gøres meget mere for at skabe levedygtige qubit-platforme, der kan opbevare information længe nok til, at kvantecomputere er levedygtige.

Qubits er allerede blevet udviklet ved hjælp af flere forskellige teknologier, herunder supercomputing-kredsløb og fangede ioner. Nogle fysikere er også ivrige efter at skabe qubits ved hjælp af spin af individuelle elektroner - men sådanne qubits er ikke så avancerede som nogle af deres modstykker. Det betyder dog ikke, at spin-baserede qubits er ude af drift.

"På dette tidspunkt har alle eksisterende platforme til kvanteberegning store ulemper, så det er bydende nødvendigt at undersøge nye tilgange," forklarer Heinrich.

Præcis montage

For at skabe en levedygtig spin-baseret processor skal qubits samles præcist, kobles pålideligt sammen og drives på en kvantekohærent måde, alt sammen på den samme platform. Dette er noget, der hidtil har unddraget sig forskere, indtil nu - ifølge det Seoul-baserede hold.

Forskerne skabte deres multi-qubit platform ved hjælp af en STM, som er et kraftfuldt værktøj til at afbilde og manipulere stof på atomare skalaer. Når den ledende spids af en STM bringes meget tæt på en prøveoverflade, er elektroner i stand til at kvantemekanisk tunnelere mellem spidsen og prøveoverfladen.

Da sandsynligheden for tunneling stærkt afhænger af afstanden mellem spids og overflade, kan en STM kortlægge prøvens nanoskala topografi ved at måle strømmen af ​​disse tunnelelektroner. Individuelle atomer på overfladen kan også manipuleres og samles ved at skubbe dem rundt af nanoskalakræfterne påført af spidsen.

Ved at bruge disse egenskaber har holdet "demonstreret den første qubit-platform med præcision på atomare skala," ifølge Heinrich. "Det er baseret på elektronspin på overflader, som kan placeres i atomisk præcise afstande fra hinanden."

Sensor qubit

Ved hjælp af STM samlede forskerne deres system på den uberørte overflade af en magnesiumoxid-dobbeltlagsfilm. Systemet inkluderer en "sensor" qubit, som er et spin-1/2 titanium atom, der er placeret direkte under STM spidsen. Spidsen er belagt med jernatomer, hvilket betyder, at den kan bruges til at påføre et lokalt magnetfelt (se figur).

På hver side af spidsen er et par "fjerne" qubits - også spin-1/2 titanium atomer. Disse er placeret i præcise afstande fra sensor-qubit, uden for det område, hvor elektrontunnel mellem atomer kan forekomme.

For at styre de eksterne qubits samtidigt med sensor-qubit'en, skabte holdet en magnetisk feltgradient ved at placere jernatomer i nærheden. Jernatomerne opfører sig som enkeltatomsmagneter, fordi deres spinrelaksationstider langt overstiger operationstiderne for individuelle qubits.

På denne måde fungerer jernatomerne hver for sig som en erstatning for STM-spidsen ved at tilvejebringe et statisk, lokalt magnetfelt til at justere spins af hver fjerntliggende qubit. Overgange mellem spin-tilstande af qubits udføres ved at bruge STM-spidsen til at påføre radiofrekvensimpulser til systemet - en teknik kaldet elektronspinresonans.

Adresseret og manipuleret

Holdet initialiserede deres qubits ved at afkøle dem til 0.4 K og derefter anvende et eksternt magnetfelt for at bringe dem i samme spin-tilstand og koble dem sammen. Bagefter afhang tilstanden af ​​sensor-qubit pålideligt af tilstandene for begge fjernqubits, men kunne stadig adresseres og manipuleres individuelt af STM-spidsen.

Det samlede resultat var en helt ny qubit-platform, der gjorde det muligt at betjene flere qubits samtidigt. "Vores undersøgelse har opnået enkelt qubit, to qubit og tre qubit gates med god kvantekohærens," siger Heinrich.

Han tilføjer, at "platformen har sine fordele og ulemper. Hos de professionelle er den atomisk præcis og kan derfor let kopieres. På ulemperne er kvantesammenhængen god, men den skal forbedres yderligere."

Hvis disse udfordringer kan overvindes, ser Heinrich og kolleger en lys fremtid for deres system.

"Vi mener, at denne tilgang relativt nemt kan skaleres til snesevis af elektron-qubits," siger Heinrich. "Disse elektronspin kan også kontrolleres koblet til nukleare spins, hvilket kan muliggøre effektiv kvantefejlkorrektion og øge den tilgængelige Hilbert-plads til kvanteoperationer. Vi har lige ridset overfladen!”

Forskningen er beskrevet i Videnskab.

Tidsstempel:

Mere fra Fysik verden