थ्री-क्यूबिट कंप्यूटिंग प्लेटफॉर्म इलेक्ट्रॉन स्पिन से बना है - फिजिक्स वर्ल्ड

थ्री-क्यूबिट कंप्यूटिंग प्लेटफॉर्म इलेक्ट्रॉन स्पिन से बना है - फिजिक्स वर्ल्ड

समय टिकट: 28 अक्टूबर, 2023 10:38 पूर्वाह्न

इलेक्ट्रॉन स्पिन क्वैबिट
मल्टीपल क्वबिट प्लेटफॉर्म: इस आरेख में, लोहे (शीर्ष) से ​​लेपित एक एसटीएम टिप सेंसर स्पिन क्वबिट को संचालित करता है। रिमोट स्पिन क्वैबिट भी दिखाए गए हैं, जो पास के लौह परमाणुओं के चुंबकीय क्षेत्रों द्वारा संरेखित होते हैं। (सौजन्य: इंस्टीट्यूट फॉर बेसिक साइंस)

एक क्वांटम कंप्यूटिंग प्लेटफ़ॉर्म जो कई स्पिन-आधारित क्वांटम बिट्स (क्यूबिट्स) के एक साथ संचालन में सक्षम है, दक्षिण कोरिया के शोधकर्ताओं द्वारा बनाया गया है। द्वारा डिज़ाइन किया गया युजेओंग बे, सू-ह्योन फ़ार्क, एंड्रियास हेनरिक और सियोल में इंस्टीट्यूट फॉर बेसिक साइंस के सहकर्मियों के अनुसार, सिस्टम को स्कैनिंग टनलिंग माइक्रोस्कोप (एसटीएम) का उपयोग करके परमाणु-दर-परमाणु इकट्ठा किया जाता है।

जबकि भविष्य के क्वांटम कंप्यूटर कुछ कार्यों में पारंपरिक कंप्यूटरों से बेहतर प्रदर्शन करने में सक्षम होने चाहिए, आज के उभरते क्वांटम प्रोसेसर व्यावहारिक गणना करने के लिए अभी भी बहुत छोटे और शोर वाले हैं। व्यवहार्य क्वबिट प्लेटफ़ॉर्म बनाने के लिए बहुत कुछ किया जाना चाहिए जो क्वांटम कंप्यूटरों के व्यवहार्य होने के लिए लंबे समय तक जानकारी बनाए रख सके।

सुपरकंप्यूटिंग सर्किट और फंसे हुए आयनों सहित कई अलग-अलग तकनीकों का उपयोग करके क्यूबिट पहले ही विकसित किए जा चुके हैं। कुछ भौतिक विज्ञानी भी व्यक्तिगत इलेक्ट्रॉनों के स्पिन का उपयोग करके क्वबिट बनाने के इच्छुक हैं - लेकिन ऐसे क्वबिट उनके कुछ समकक्षों की तरह उन्नत नहीं हैं। हालाँकि, इसका मतलब यह नहीं है कि स्पिन-आधारित क्वैबिट चलन से बाहर हो गए हैं।

हेनरिक बताते हैं, "इस बिंदु पर, क्वांटम कंप्यूटिंग के लिए सभी मौजूदा प्लेटफार्मों में बड़ी कमियां हैं, इसलिए नए तरीकों की जांच करना जरूरी है।"

सटीक संयोजन

एक व्यवहार्य स्पिन-आधारित प्रोसेसर बनाने के लिए, क्वैब को सटीक रूप से इकट्ठा किया जाना चाहिए, विश्वसनीय रूप से एक साथ जोड़ा जाना चाहिए, और क्वांटम-सुसंगत तरीके से संचालित किया जाना चाहिए, सभी एक ही मंच पर। सियोल स्थित टीम के अनुसार, यह कुछ ऐसा है जो अब तक शोधकर्ताओं की समझ से परे है।

शोधकर्ताओं ने एसटीएम की मदद से अपना मल्टी-क्यूबिट प्लेटफॉर्म बनाया, जो परमाणु पैमाने पर पदार्थ की इमेजिंग और हेरफेर के लिए एक शक्तिशाली उपकरण है। जब एक एसटीएम की संचालन टिप को नमूना सतह के बहुत करीब लाया जाता है, तो इलेक्ट्रॉन टिप और नमूना सतह के बीच क्वांटम-यांत्रिक रूप से सुरंग बनाने में सक्षम होते हैं।

चूँकि सुरंग बनाने की संभावना दृढ़ता से टिप और सतह के बीच की दूरी पर निर्भर करती है, एक एसटीएम इन सुरंग बनाने वाले इलेक्ट्रॉनों की धारा को मापकर नमूने की नैनोस्केल स्थलाकृति को मैप कर सकता है। सतह पर अलग-अलग परमाणुओं को टिप द्वारा लगाए गए नैनोस्केल बलों द्वारा चारों ओर धकेल कर हेरफेर और इकट्ठा किया जा सकता है।

हेनरिक के अनुसार, इन क्षमताओं का उपयोग करते हुए टीम ने "परमाणु पैमाने की सटीकता के साथ पहला क्विबिट प्लेटफॉर्म प्रदर्शित किया है।" "यह सतहों पर इलेक्ट्रॉन स्पिन पर आधारित है, जिसे एक दूसरे से परमाणु रूप से सटीक दूरी पर रखा जा सकता है।"

सेंसर क्वबिट

एसटीएम का उपयोग करते हुए, शोधकर्ताओं ने अपने सिस्टम को मैग्नीशियम ऑक्साइड बाइलेयर फिल्म की प्राचीन सतह पर इकट्ठा किया। सिस्टम में एक "सेंसर" क्वबिट शामिल है, जो एक स्पिन-1/2 टाइटेनियम परमाणु है जो सीधे एसटीएम टिप के नीचे स्थित है। टिप को लोहे के परमाणुओं में लेपित किया गया है, जिसका अर्थ है कि इसका उपयोग स्थानीय चुंबकीय क्षेत्र को लागू करने के लिए किया जा सकता है (आंकड़ा देखें)।

टिप के दोनों ओर "दूरस्थ" क्वैबिट की एक जोड़ी है - स्पिन-1/2 टाइटेनियम परमाणु भी। इन्हें सेंसर क्वबिट से सटीक दूरी पर, उस क्षेत्र के बाहर रखा जाता है जहां परमाणुओं के बीच इलेक्ट्रॉन टनलिंग हो सकती है।

सेंसर क्वबिट के साथ-साथ रिमोट क्वबिट को नियंत्रित करने के लिए, टीम ने लोहे के परमाणुओं को पास में रखकर एक चुंबकीय क्षेत्र ढाल बनाया। लोहे के परमाणु एकल-परमाणु चुंबक के रूप में व्यवहार करते हैं क्योंकि उनके स्पिन विश्राम का समय व्यक्तिगत क्वैबिट के संचालन समय से कहीं अधिक है।

इस तरह, लोहे के परमाणु प्रत्येक दूरस्थ क्वबिट के स्पिन को संरेखित करने के लिए एक स्थिर, स्थानीय चुंबकीय क्षेत्र प्रदान करने में एसटीएम टिप के विकल्प के रूप में कार्य करते हैं। सिस्टम में रेडियो-आवृत्ति दालों को लागू करने के लिए एसटीएम टिप का उपयोग करके क्वैबिट के स्पिन राज्यों के बीच संक्रमण किया जाता है - एक तकनीक जिसे इलेक्ट्रॉन स्पिन अनुनाद कहा जाता है।

संबोधित और चालाकी की गई

टीम ने उनके क्वैबिट को 0.4 K तक ठंडा करके आरंभ किया, फिर उन्हें एक ही स्पिन स्थिति में लाने और उन्हें एक साथ जोड़ने के लिए एक बाहरी चुंबकीय क्षेत्र लागू किया। बाद में, सेंसर क्वबिट की स्थिति विश्वसनीय रूप से दोनों दूरस्थ क्वबिट की स्थिति पर निर्भर करती थी, लेकिन फिर भी एसटीएम टिप द्वारा व्यक्तिगत रूप से संबोधित और हेरफेर किया जा सकता था।

समग्र परिणाम पूरी तरह से नया क्विबिट प्लेटफ़ॉर्म था जिसने कई क्विबिट को एक साथ संचालित करने की अनुमति दी। हेनरिक कहते हैं, "हमारे अध्ययन ने अच्छी क्वांटम सुसंगतता के साथ सिंगल क्विबिट, टू क्विबिट और थ्री क्विबिट गेट्स हासिल किए हैं।"

वह आगे कहते हैं कि, “प्लेटफॉर्म के अपने फायदे और नुकसान हैं। पेशेवरों पर, यह परमाणु रूप से सटीक है और इसलिए इसे आसानी से दोहराया जा सकता है। दूसरी ओर, क्वांटम सुसंगतता अच्छी है लेकिन इसमें और सुधार करने की जरूरत है।

यदि इन चुनौतियों पर काबू पाया जा सकता है, तो हेनरिक और उनके सहकर्मी अपने सिस्टम के लिए एक उज्ज्वल भविष्य देखते हैं।

हेनरिक कहते हैं, "हम मानते हैं कि इस दृष्टिकोण को अपेक्षाकृत आसानी से दसियों इलेक्ट्रॉन क्वैबिट तक बढ़ाया जा सकता है।" “उन इलेक्ट्रॉन स्पिन को नियंत्रित रूप से परमाणु स्पिन के साथ भी जोड़ा जा सकता है जो कुशल क्वांटम त्रुटि सुधार को सक्षम कर सकता है और क्वांटम संचालन के लिए उपलब्ध हिल्बर्ट स्थान को बढ़ा सकता है। हमने तो बस सतह ही खंगाल डाली है!”

में अनुसंधान वर्णित है विज्ञान.

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