Kolmen kubitin laskenta-alusta on valmistettu elektronispineistä – Physics World

Etelä-Korean tutkijat ovat luoneet kvanttilaskenta-alustan, joka pystyy käyttämään samanaikaisesti useita spin-pohjaisia ​​kvanttibittejä (qubits). Suunnitellut Yujeong Bae, Soo-hyon Phark, Andrew Heinrich ja kollegat Institute for Basic Sciencessa Soulissa, järjestelmä kootaan atomi atomilta käyttämällä pyyhkäisytunnelimikroskooppia (STM).

Vaikka tulevaisuuden kvanttitietokoneiden pitäisi pystyä suoriutumaan perinteisistä tietokoneista tietyissä tehtävissä, nykypäivän syntymässä olevat kvanttiprosessorit ovat vielä liian pieniä ja meluisia käytännön laskelmien tekemiseen. Paljon enemmän on tehtävä elinkelpoisten qubit-alustojen luomiseksi, jotka voivat säilyttää tiedot riittävän pitkään, jotta kvanttitietokoneet olisivat elinkelpoisia.

Qubiteja on jo kehitetty useilla eri teknologioilla, mukaan lukien superlaskentapiirit ja loukkuun jääneet ionit. Jotkut fyysikot ovat myös innokkaita luomaan kubitteja käyttämällä yksittäisten elektronien spinejä – mutta tällaiset kubitit eivät ole niin kehittyneitä kuin jotkut vastineensa. Tämä ei kuitenkaan tarkoita, että spin-pohjaiset qubitit olisivat poissa käynnissä.

"Tässä vaiheessa kaikilla olemassa olevilla kvanttilaskennan alustoilla on suuria haittoja, joten on välttämätöntä tutkia uusia lähestymistapoja", Heinrich selittää.

Tarkka kokoonpano

Elinkelpoisen spin-pohjaisen prosessorin luomiseksi kubitit on koottava tarkasti, kytkettävä yhteen luotettavasti ja toimittava kvanttikoherentilla tavalla, kaikki samalla alustalla. Tämä on jotain, mikä on toistaiseksi välttynyt tutkijoilta, toistaiseksi - Soulissa toimivan ryhmän mukaan.

Tutkijat loivat monikubitisen alustansa STM:n avulla, joka on tehokas työkalu aineen kuvantamiseen ja manipulointiin atomimittakaavassa. Kun STM:n johtava kärki tuodaan hyvin lähelle näytteen pintaa, elektronit pystyvät kvanttimekaanisesti tunneloimaan kärjen ja näytteen pinnan välillä.

Koska tunneloitumisen todennäköisyys riippuu voimakkaasti kärjen ja pinnan välisestä etäisyydestä, STM voi kartoittaa näytteen nanomittakaavan topografian mittaamalla näiden tunnelointielektronien virran. Pinnalla olevia yksittäisiä atomeja voidaan myös käsitellä ja koota työntämällä niitä ympäriinsä kärjen kohdistamien nanomittakaavan voimien avulla.

Heinrichin mukaan tiimi on "esittänyt ensimmäistä qubit-alustaa atomimittakaavatarkkuudella" käyttämällä näitä ominaisuuksia. "Se perustuu elektronien spineihin pinnoilla, jotka voidaan sijoittaa atomitarkkojen etäisyyksien päähän toisistaan."

Anturi qubit

STM:n avulla tutkijat kokosivat järjestelmänsä magnesiumoksidikaksikerroksisen kalvon koskemattomalle pinnalle. Järjestelmä sisältää "sensorin" kubitin, joka on spin-1/2 titaaniatomi, joka sijaitsee suoraan STM-kärjen alapuolella. Kärki on päällystetty rautaatomeilla, mikä tarkoittaa, että sitä voidaan käyttää paikallisen magneettikentän kohdistamiseen (katso kuva).

Kärjen kummallakin puolella on pari "etä" kubittia - myös spin-1/2 titaaniatomia. Ne on sijoitettu tarkkojen etäisyyksien päähän anturin kubitista, sen alueen ulkopuolelle, jossa elektronitunnelointi atomien välillä voi tapahtua.

Ohjatakseen etäkubitteja samanaikaisesti anturin kubitin kanssa, tiimi loi magneettikentän gradientin sijoittamalla rautaatomeja lähelle. Rautaatomit käyttäytyvät kuin yksiatomimagneetit, koska niiden spinrelaksaatioajat ylittävät huomattavasti yksittäisten kubittien toimintaajat.

Tällä tavalla rautaatomit toimivat kukin STM-kärjen korvikkeena tarjoamalla staattisen, paikallisen magneettikentän kunkin etäkubitin spinien kohdistamiseksi. Siirtymät kubittien spin-tilojen välillä tehdään käyttämällä STM-kärkeä radiotaajuisten pulssien syöttämiseksi järjestelmään - tekniikkaa, jota kutsutaan elektronin spin-resonanssiksi.

Osoitettu ja manipuloitu

Tiimi alustaa kubitit jäähdyttämällä ne 0.4 K:n lämpötilaan, käyttämällä sitten ulkoista magneettikenttää saadakseen ne samaan spin-tilaan ja kytkemällä ne yhteen. Myöhemmin anturin kubitin tila riippui luotettavasti molempien etäkubittien tiloista, mutta sitä voitiin silti käsitellä ja käsitellä erikseen STM-kärjellä.

Lopputuloksena oli täysin uusi qubit-alusta, joka mahdollisti useiden kubittien käytön samanaikaisesti. "Tutkimuksemme on saavuttanut yhden kubitin, kahden kubitin ja kolmen kubitin portin hyvällä kvanttikoherenssilla", Heinrich sanoo.

Hän lisää, että "alustalla on hyvät ja huonot puolensa. Plussaa on se, että se on atomisesti tarkka ja voidaan siten helposti kopioida. Haittapuolena on, että kvanttikoherenssi on hyvä, mutta sitä on parannettava edelleen."

Jos nämä haasteet voidaan voittaa, Heinrich ja kollegat näkevät järjestelmälleen valoisan tulevaisuuden.

"Uskomme, että tämä lähestymistapa voidaan suhteellisen helposti skaalata kymmeniin elektronikubiteihin", Heinrich sanoo. "Nuo elektroni spinit voidaan myös kytkeä ohjatusti ydinspineihin, mikä saattaa mahdollistaa tehokkaan kvanttivirheen korjauksen ja lisätä käytettävissä olevaa Hilbertin tilaa kvanttioperaatioille. Olemme juuri raapineet pintaa!”

Tutkimusta kuvataan tiede.

• SEO-pohjainen sisällön ja PR-jakelu. Vahvista jo tänään.
• PlatoData.Network Vertical Generatiivinen Ai. Vahvista itseäsi. Pääsy tästä.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Tietoa laajennettu. Pääsy tästä.
• PlatoESG. hiili, CleanTech, energia, ympäristö, Aurinko, Jätehuolto. Pääsy tästä.
• PlatonHealth. Biotekniikan ja kliinisten kokeiden älykkyys. Pääsy tästä.
• Lähde: https://physicsworld.com/a/three-qubit-computing-platform-is-made-from-electron-spins/