Η υπολογιστική πλατφόρμα τριών qubit είναι κατασκευασμένη από σπιν ηλεκτρονίων – Physics World

Η υπολογιστική πλατφόρμα τριών qubit είναι κατασκευασμένη από σπιν ηλεκτρονίων – Physics World

Χρονική σήμανση: 28 Οκτωβρίου 2023 10:38 π.μ.

Qubits σπιν ηλεκτρονίων
Πλατφόρμα πολλαπλών qubit: σε αυτό το διάγραμμα, ένα άκρο STM επικαλυμμένο με σίδερο (πάνω μέρος) λειτουργεί το qubit περιστροφής του αισθητήρα. Εμφανίζονται επίσης τα qubits απομακρυσμένης περιστροφής, τα οποία ευθυγραμμίζονται από τα μαγνητικά πεδία των κοντινών ατόμων σιδήρου. (Ευγενική προσφορά: Institute for Basic Science)

Μια πλατφόρμα κβαντικών υπολογιστών που είναι ικανή για την ταυτόχρονη λειτουργία πολλαπλών κβαντικών δυαδικών ψηφίων (qubits) που βασίζονται σε spin δημιούργησαν ερευνητές στη Νότια Κορέα. Σχεδιάστηκε από Yujeong Bae, Soo-hyon Phark, Andrew Heinrich και συναδέλφους στο Ινστιτούτο Βασικής Επιστήμης στη Σεούλ, το σύστημα συναρμολογείται άτομο προς άτομο χρησιμοποιώντας ένα μικροσκόπιο σάρωσης σήραγγας (STM).

Ενώ οι κβαντικοί υπολογιστές του μέλλοντος θα πρέπει να είναι σε θέση να ξεπερνούν τους συμβατικούς υπολογιστές σε ορισμένες εργασίες, οι σημερινοί κβαντικοί επεξεργαστές είναι ακόμα πολύ μικροί και θορυβώδεις για να κάνουν πρακτικούς υπολογισμούς. Πρέπει να γίνουν πολύ περισσότερα για να δημιουργηθούν βιώσιμες πλατφόρμες qubit που μπορούν να διατηρήσουν πληροφορίες για αρκετό καιρό ώστε οι κβαντικοί υπολογιστές να είναι βιώσιμοι.

Τα Qubits έχουν ήδη αναπτυχθεί χρησιμοποιώντας πολλές διαφορετικές τεχνολογίες, συμπεριλαμβανομένων κυκλωμάτων υπερυπολογιστών και παγιδευμένων ιόντων. Μερικοί φυσικοί είναι επίσης πρόθυμοι να δημιουργήσουν qubits χρησιμοποιώντας τα σπιν μεμονωμένων ηλεκτρονίων - αλλά τέτοια qubits δεν είναι τόσο προηγμένα όσο μερικά από τα αντίστοιχα τους. Ωστόσο, αυτό δεν σημαίνει ότι τα qubits που βασίζονται σε spin είναι εκτός λειτουργίας.

«Σε αυτό το σημείο, όλες οι υπάρχουσες πλατφόρμες για κβαντικούς υπολογιστές έχουν σημαντικά μειονεκτήματα, επομένως είναι επιτακτική η διερεύνηση νέων προσεγγίσεων», εξηγεί ο Heinrich.

Ακριβής συναρμολόγηση

Για να δημιουργηθεί ένας βιώσιμος επεξεργαστής που βασίζεται σε spin, τα qubits πρέπει να συναρμολογούνται με ακρίβεια, να συνδέονται αξιόπιστα και να λειτουργούν με κβαντικό συνεκτικό τρόπο, όλα στην ίδια πλατφόρμα. Αυτό είναι κάτι που μέχρι στιγμής διέφευγε τους ερευνητές, μέχρι τώρα – σύμφωνα με την ομάδα με έδρα τη Σεούλ.

Οι ερευνητές δημιούργησαν την πλατφόρμα πολλαπλών qubit τους με τη βοήθεια ενός STM, το οποίο είναι ένα ισχυρό εργαλείο για την απεικόνιση και το χειρισμό της ύλης σε ατομική κλίμακα. Όταν το αγώγιμο άκρο ενός STM φέρεται πολύ κοντά σε μια επιφάνεια δείγματος, τα ηλεκτρόνια είναι σε θέση να διέλθουν κβαντομηχανικά μεταξύ του άκρου και της επιφάνειας του δείγματος.

Δεδομένου ότι η πιθανότητα διάνοιξης σήραγγας εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την απόσταση μεταξύ κορυφής και επιφάνειας, ένα STM μπορεί να χαρτογραφήσει την τοπογραφία νανοκλίμακας του δείγματος μετρώντας το ρεύμα αυτών των ηλεκτρονίων σήραγγας. Τα μεμονωμένα άτομα στην επιφάνεια μπορούν επίσης να χειριστούν και να συναρμολογηθούν πιέζοντάς τα γύρω από τις δυνάμεις νανοκλίμακας που ασκούνται από την άκρη.

Χρησιμοποιώντας αυτές τις δυνατότητες, η ομάδα «επέδειξε την πρώτη πλατφόρμα qubit με ακρίβεια ατομικής κλίμακας», σύμφωνα με τον Heinrich. «Βασίζεται σε σπιν ηλεκτρονίων σε επιφάνειες, οι οποίες μπορούν να τοποθετηθούν σε ατομικά ακριβείς αποστάσεις μεταξύ τους».

Qubit αισθητήρα

Χρησιμοποιώντας STM, οι ερευνητές συναρμολόγησαν το σύστημά τους στην παρθένα επιφάνεια ενός φιλμ διπλής στοιβάδας οξειδίου του μαγνησίου. Το σύστημα περιλαμβάνει ένα qubit «αισθητήρα», το οποίο είναι ένα άτομο τιτανίου spin-1/2 που βρίσκεται ακριβώς κάτω από το άκρο STM. Το άκρο είναι επικαλυμμένο με άτομα σιδήρου, πράγμα που σημαίνει ότι μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την εφαρμογή τοπικού μαγνητικού πεδίου (βλ. εικόνα).

Και στις δύο πλευρές της άκρης υπάρχει ένα ζεύγος «απομακρυσμένων» qubits – επίσης spin-1/2 ατόμων τιτανίου. Αυτά τοποθετούνται σε ακριβείς αποστάσεις από το qubit του αισθητήρα, έξω από την περιοχή όπου μπορεί να συμβεί ηλεκτρονιακή σήραγγα μεταξύ των ατόμων.

Για τον έλεγχο των απομακρυσμένων qubits ταυτόχρονα με το qubit του αισθητήρα, η ομάδα δημιούργησε μια κλίση μαγνητικού πεδίου τοποθετώντας άτομα σιδήρου κοντά. Τα άτομα σιδήρου συμπεριφέρονται ως μαγνήτες ενός ατόμου επειδή οι χρόνοι χαλάρωσης του σπιν τους υπερβαίνουν κατά πολύ τους χρόνους λειτουργίας μεμονωμένων qubits.

Με αυτόν τον τρόπο, τα άτομα σιδήρου λειτουργούν το καθένα ως υποκατάστατο για το άκρο STM παρέχοντας ένα στατικό, τοπικό μαγνητικό πεδίο για την ευθυγράμμιση των περιστροφών κάθε απομακρυσμένου qubit. Οι μεταβάσεις μεταξύ των καταστάσεων σπιν των qubits γίνονται χρησιμοποιώντας το άκρο STM για την εφαρμογή παλμών ραδιοσυχνότητας στο σύστημα - μια τεχνική που ονομάζεται συντονισμός σπιν ηλεκτρονίων.

Απευθύνεται και χειραγωγείται

Η ομάδα αρχικοποίησε τα qubit τους ψύχοντάς τα στα 0.4 K, στη συνέχεια εφαρμόζοντας ένα εξωτερικό μαγνητικό πεδίο για να τα φέρει στην ίδια κατάσταση περιστροφής και συνδέοντάς τα μεταξύ τους. Στη συνέχεια, η κατάσταση του qubit του αισθητήρα εξαρτιόταν αξιόπιστα από τις καταστάσεις και των δύο απομακρυσμένων qubit, αλλά μπορούσε να αντιμετωπιστεί και να χειριστεί μεμονωμένα από το άκρο STM.

Το συνολικό αποτέλεσμα ήταν μια εντελώς νέα πλατφόρμα qubit που επέτρεπε τη λειτουργία πολλαπλών qubits ταυτόχρονα. «Η μελέτη μας πέτυχε πύλες ενός qubit, δύο qubit και τριών qubit με καλή κβαντική συνοχή», λέει ο Heinrich.

Προσθέτει ότι, «η πλατφόρμα έχει τα θετικά και τα αρνητικά της. Στα πλεονεκτήματα, είναι ατομικά ακριβής και ως εκ τούτου μπορεί εύκολα να αντιγραφεί. Στα μειονεκτήματα, η κβαντική συνοχή είναι καλή, αλλά πρέπει να βελτιωθεί περαιτέρω.»

Εάν αυτές οι προκλήσεις μπορούν να ξεπεραστούν, ο Heinrich και οι συνεργάτες του βλέπουν ένα λαμπρό μέλλον για το σύστημά τους.

«Πιστεύουμε ότι αυτή η προσέγγιση μπορεί σχετικά εύκολα να κλιμακωθεί σε δεκάδες qubit ηλεκτρονίων», λέει ο Heinrich. «Αυτές οι στροφές ηλεκτρονίων μπορούν επίσης να συζευχθούν ελεγχόμενα με πυρηνικές σπιν, οι οποίες θα μπορούσαν να επιτρέψουν την αποτελεσματική διόρθωση κβαντικών σφαλμάτων και να αυξήσουν τον διαθέσιμο χώρο Hilbert για κβαντικές λειτουργίες. Μόλις ξύσαμε την επιφάνεια!».

Η έρευνα περιγράφεται στο Επιστήμη.

Σφραγίδα ώρας:

Περισσότερα από Κόσμος Φυσικής