پلت فرم محاسباتی سه کیوبیتی از اسپین های الکترون ساخته شده است - Physics World

یک پلت فرم محاسباتی کوانتومی که قادر به عملکرد همزمان چند بیت کوانتومی مبتنی بر اسپین (کیوبیت) است توسط محققان در کره جنوبی ایجاد شده است. طراحی شده توسط یوجونگ بائه, سو هیون فارک, آندریاس هاینریش و همکارانش در موسسه علوم پایه در سئول، این سیستم با استفاده از میکروسکوپ تونل زنی روبشی (STM) اتم به اتم مونتاژ می شود.

در حالی که رایانه‌های کوانتومی آینده باید بتوانند در برخی وظایف از رایانه‌های معمولی بهتر عمل کنند، پردازنده‌های کوانتومی نوپای امروزی هنوز برای انجام محاسبات عملی بسیار کوچک و پر سر و صدا هستند. کارهای بیشتری باید انجام شود تا پلتفرم‌های کیوبیتی بادوام ایجاد شود که بتواند اطلاعات را به اندازه کافی برای ماندگاری رایانه‌های کوانتومی حفظ کند.

کیوبیت ها قبلاً با استفاده از چندین فناوری مختلف از جمله مدارهای ابر محاسباتی و یون های به دام افتاده توسعه یافته اند. برخی از فیزیکدانان نیز مشتاق ایجاد کیوبیت ها با استفاده از اسپین تک تک الکترون ها هستند – اما این کیوبیت ها به اندازه برخی از همتایان خود پیشرفته نیستند. با این حال، این بدان معنا نیست که کیوبیت های مبتنی بر اسپین از اجرا خارج شده اند.

هاینریش توضیح می‌دهد: «در این مرحله، تمام پلتفرم‌های موجود برای محاسبات کوانتومی دارای اشکالات عمده‌ای هستند، بنابراین بررسی رویکردهای جدید ضروری است.

مونتاژ دقیق

برای ایجاد یک پردازنده مبتنی بر اسپین بادوام، کیوبیت ها باید دقیقاً مونتاژ شوند، به طور قابل اعتمادی با هم جفت شوند، و به شیوه ای منسجم کوانتومی، همه بر روی یک پلت فرم کار کنند. به گفته تیم مستقر در سئول، این چیزی است که تاکنون محققان از آن دوری کرده اند.

محققان پلتفرم چند کیوبیتی خود را با کمک STM ایجاد کردند که ابزاری قدرتمند برای تصویربرداری و دستکاری ماده در مقیاس اتمی است. هنگامی که نوک رسانای STM به سطح نمونه بسیار نزدیک می شود، الکترون ها می توانند به صورت مکانیکی کوانتومی بین نوک و سطح نمونه تونل بزنند.

از آنجایی که احتمال تونل زنی به شدت به فاصله بین نوک و سطح بستگی دارد، یک STM می تواند توپوگرافی در مقیاس نانو نمونه را با اندازه گیری جریان این الکترون های تونل زنی ترسیم کند. اتم های منفرد روی سطح را نیز می توان با فشار دادن آنها به اطراف توسط نیروهای نانومقیاس اعمال شده توسط نوک، دستکاری و مونتاژ کرد.

به گفته هاینریش، با استفاده از این قابلیت‌ها، تیم اولین پلت فرم کیوبیت را با دقت مقیاس اتمی به نمایش گذاشته است. این بر اساس اسپین های الکترون روی سطوح است که می توانند در فواصل دقیق اتمی از یکدیگر قرار گیرند.

کیوبیت سنسور

با استفاده از STM، محققان سیستم خود را بر روی سطح بکر یک فیلم دولایه اکسید منیزیم مونتاژ کردند. این سیستم شامل یک کیوبیت «حسگر» است که یک اتم تیتانیوم اسپین 1/2 است که مستقیماً در زیر نوک STM قرار دارد. نوک آن با اتم های آهن پوشانده شده است، به این معنی که می توان از آن برای اعمال میدان مغناطیسی محلی استفاده کرد (شکل را ببینید).

در دو طرف نوک یک جفت کیوبیت "راه دور" وجود دارد - همچنین اتم های تیتانیوم 1/2 اسپین می شوند. اینها در فواصل دقیق از کیوبیت حسگر، خارج از ناحیه ای که تونل زنی الکترون بین اتم ها می تواند رخ دهد، قرار می گیرند.

برای کنترل کیوبیت های راه دور به طور همزمان با کیوبیت حسگر، تیم با قرار دادن اتم های آهن در نزدیکی آن، یک گرادیان میدان مغناطیسی ایجاد کرد. اتم‌های آهن مانند آهن‌رباهای تک اتمی رفتار می‌کنند، زیرا زمان‌های آرامش چرخش آن‌ها بسیار بیشتر از زمان‌های عملکرد کیوبیت‌های منفرد است.

به این ترتیب، اتم‌های آهن هر کدام به عنوان جایگزینی برای نوک STM عمل می‌کنند و یک میدان مغناطیسی استاتیک و محلی برای تراز کردن اسپین‌های هر کیوبیت از راه دور ایجاد می‌کنند. انتقال بین حالت‌های اسپین کیوبیت‌ها با استفاده از نوک STM برای اعمال پالس‌های فرکانس رادیویی به سیستم انجام می‌شود - تکنیکی به نام رزونانس اسپین الکترون.

خطاب شده و دستکاری شده است

این تیم کیوبیت‌های خود را با سرد کردن 0.4 K و سپس اعمال یک میدان مغناطیسی خارجی برای رساندن آنها به حالت اسپین و جفت کردن آنها با هم، مقدار دهی اولیه کردند. پس از آن، وضعیت کیوبیت حسگر به طور قابل اعتمادی به حالت‌های هر دو کیوبیت از راه دور بستگی داشت، اما همچنان می‌توان آن را به‌صورت جداگانه توسط نوک STM بررسی و دستکاری کرد.

نتیجه کلی یک پلتفرم کاملاً جدید کیوبیت بود که امکان کار همزمان چندین کیوبیت را فراهم می کرد. هاینریش می گوید: «مطالعه ما به گیت های تک کیوبیت، دو کیوبیت و سه کیوبیت با انسجام کوانتومی خوب دست یافته است.

او اضافه می‌کند که «این پلتفرم مزایا و معایب خود را دارد. در موارد مثبت، از نظر اتمی دقیق است و از این رو به راحتی می توان آن را تکرار کرد. در معایب، انسجام کوانتومی خوب است اما باید بیشتر بهبود یابد.

اگر بتوان بر این چالش ها غلبه کرد، هاینریش و همکاران آینده روشنی را برای سیستم خود می بینند.

هاینریش می‌گوید: «ما معتقدیم که این رویکرد می‌تواند نسبتاً آسان به ده‌ها کیوبیت الکترونی مقیاس شود. این اسپین‌های الکترون را می‌توان به‌طور کنترل‌شده با اسپین‌های هسته‌ای جفت کرد که ممکن است تصحیح خطای کوانتومی کارآمد را ممکن کند و فضای موجود هیلبرت را برای عملیات کوانتومی افزایش دهد. ما فقط سطح را خراشیده ایم!»

تحقیق در شرح داده شده است علم.

• محتوای مبتنی بر SEO و توزیع روابط عمومی. امروز تقویت شوید.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. به خودت قدرت بده دسترسی به اینجا.
• PlatoAiStream. هوش وب 3 دانش تقویت شده دسترسی به اینجا.
• PlatoESG. کربن ، CleanTech، انرژی، محیط، خورشیدی، مدیریت پسماند دسترسی به اینجا.
• PlatoHealth. هوش بیوتکنولوژی و آزمایشات بالینی. دسترسی به اینجا.
• منبع: https://physicsworld.com/a/three-qubit-computing-platform-is-made-from-electron-spins/