Kolmekubitine arvutusplatvorm on valmistatud elektronide spinnidest – Physics World

Lõuna-Korea teadlased on loonud kvantarvutusplatvormi, mis on võimeline samaaegselt töötama mitut spin-põhist kvantbitti (kubitti). Disainitud Yujeong Bae, Soo-hyon Phark, Andreas Heinrich ja kolleegid Souli alusteaduste instituudist, on süsteem aatomhaaval kokku pandud skaneeriva tunnelmikroskoobi (STM) abil.

Kui tuleviku kvantarvutid peaksid teatud ülesannete täitmisel tavaarvuteid edestama, siis tänapäeva tekkivad kvantprotsessorid on praktiliste arvutuste tegemiseks veel liiga väikesed ja mürarikkad. Palju rohkem tuleb ära teha, et luua elujõulised kubitiplatvormid, mis suudavad säilitada teavet piisavalt kaua, et kvantarvutid oleksid elujõulised.

Qubits on juba välja töötatud mitme erineva tehnoloogia abil, sealhulgas superarvuti ahelad ja lõksus olevad ioonid. Mõned füüsikud soovivad samuti luua kubite üksikute elektronide spinnide abil, kuid sellised kubiidid pole nii arenenud kui mõned nende kolleegid. See aga ei tähenda, et spin-põhised kubitid ei töötaks.

"Praegu on kõigil olemasolevatel kvantarvutite platvormidel suuri puudusi, mistõttu on hädavajalik uurida uusi lähenemisviise, " selgitab Heinrich.

Täpne kokkupanek

Elujõulise spin-põhise protsessori loomiseks peavad kubitid olema täpselt kokku pandud, omavahel usaldusväärselt ühendatud ja toimima kvantkoherentselt, kõik samal platvormil. See on midagi, mis on Soulis asuva meeskonna sõnul seni teadlastest kõrvale hiilinud.

Teadlased lõid oma mitme qubit platvormi STM-i abil, mis on võimas tööriist aine kujutamiseks ja manipuleerimiseks aatomiskaalal. Kui STM-i juhtiv ots tuuakse proovi pinnale väga lähedale, on elektronid võimelised otsiku ja proovi pinna vahel kvantmehhaaniliselt tunneldama.

Kuna tunneldamise tõenäosus sõltub tugevalt tipu ja pinna vahelisest kaugusest, saab STM kaardistada proovi nanomõõtmelise topograafia, mõõtes nende tunnelielektronide voolu. Pinnal olevaid üksikuid aatomeid saab ka manipuleerida ja kokku panna, lükates neid otsa poolt rakendatavate nanomõõtmeliste jõudude abil.

Neid võimalusi kasutades on meeskond Heinrichi sõnul "demonstreerinud esimest aatomiskaala täpsusega qubit-platvormi". "See põhineb elektronide spinnidel pindadel, mida saab paigutada üksteisest aatomiliselt täpsele kaugusele."

Andur qubit

STM-i kasutades panid teadlased oma süsteemi kokku magneesiumoksiidi kahekihilise kile puutumata pinnale. Süsteem sisaldab "anduri" kubitit, mis on spin-1/2 titaaniaatom, mis asub otse STM-i otsa all. Ots on kaetud rauaaatomitega, mis tähendab, et seda saab kasutada kohaliku magnetvälja rakendamiseks (vt joonist).

Otsa mõlemal küljel on paar "kaugbitti" - ka spin-1/2 titaani aatomit. Need on paigutatud anduri kubitist täpsele kaugusele, väljaspool piirkonda, kus võib toimuda elektronide tunneldamine aatomite vahel.

Kaugkubitide juhtimiseks samaaegselt anduri kubitiga lõi meeskond magnetvälja gradiendi, asetades lähedale raua aatomeid. Raua aatomid käituvad üheaatomiliste magnetidena, kuna nende spinni lõdvestumisajad ületavad palju üksikute kubittide tööaegu.

Sel viisil toimivad raua aatomid STM-i otsa asendajana, pakkudes staatilise lokaalse magnetvälja iga kaugkubiti spinnide joondamiseks. Üleminekud kubitite spin-olekute vahel tehakse STM-otsa abil, et rakendada süsteemile raadiosageduslikke impulsse – seda tehnikat nimetatakse elektronide spin-resonantsiks.

Adresseeritud ja manipuleeritud

Meeskond initsialiseeris oma kubitid, jahutades need temperatuurini 0.4 K, seejärel rakendades välist magnetvälja, et viia need samasse pöörlemisolekusse ja ühendada need omavahel. Hiljem sõltus anduri kubiti olek usaldusväärselt mõlema kaugkubiti olekust, kuid STM-i ots sai seda siiski käsitleda ja individuaalselt manipuleerida.

Üldine tulemus oli täiesti uus kubitiplatvorm, mis võimaldas korraga kasutada mitut kubitti. "Meie uuring on saavutanud hea kvantsidususega ühe kubiidi, kahe kubiidi ja kolm kubitist väravat, " ütleb Heinrich.

Ta lisab, et "platvormil on oma plussid ja miinused. Plusse on see aatomiliselt täpne ja seetõttu saab seda hõlpsasti kopeerida. Miinuste osas on kvantsidusus hea, kuid seda tuleb veelgi parandada.

Kui neist väljakutsetest saab üle, näevad Heinrich ja kolleegid oma süsteemi helget tulevikku.

"Usume, et seda lähenemisviisi saab suhteliselt kergesti skaleerida kümneteks elektronkubitideks, " ütleb Heinrich. "Neid elektronide spinne saab ka kontrollitavalt ühendada tuumaspinnidega, mis võib võimaldada tõhusat kvantvigade korrigeerimist ja suurendada kvantoperatsioonide jaoks saadaolevat Hilberti ruumi. Oleme just pinda kriibinud!»

Uuringut kirjeldatakse artiklis teadus.

• SEO-põhise sisu ja PR-levi. Võimenduge juba täna.
• PlatoData.Network Vertikaalne generatiivne Ai. Jõustage ennast. Juurdepääs siia.
• PlatoAiStream. Web3 luure. Täiustatud teadmised. Juurdepääs siia.
• PlatoESG. Süsinik, CleanTech, Energia, Keskkond päikeseenergia, Jäätmekäitluse. Juurdepääs siia.
• PlatoTervis. Biotehnoloogia ja kliiniliste uuringute luureandmed. Juurdepääs siia.
• Allikas: https://physicsworld.com/a/three-qubit-computing-platform-is-made-from-electron-spins/