פלטפורמת מחשוב של שלושה קיוביטים עשויה מספינים אלקטרונים - Physics World

פלטפורמת מחשוב קוונטי המסוגלת לפעול בו-זמנית של מספר סיביות קוונטיות מבוססות ספין (קיוביטים) נוצרה על ידי חוקרים בדרום קוריאה. עוצב על ידי Yujeong Bae, סו-היון פארק, אנדרו היינריך ועמיתיו במכון למדע בסיסי בסיאול, המערכת מורכבת אטום-אטום באמצעות מיקרוסקופ מנהור סורק (STM).

בעוד שמחשבים קוונטיים של העתיד אמורים להיות מסוגלים להתעלות על מחשבים קונבנציונליים במשימות מסוימות, המעבדים הקוונטים המתהווים של היום עדיין קטנים ורועשים מכדי לבצע חישובים מעשיים. יש לעשות הרבה יותר כדי ליצור פלטפורמות קיוביט קיימות שיכולות לשמור מידע מספיק זמן כדי שמחשבים קוונטיים יהיו קיימא.

קוביטים כבר פותחו באמצעות מספר טכנולוגיות שונות, כולל מעגלי מחשוב-על ויונים לכודים. כמה פיזיקאים גם להוטים ליצור קיוביטים באמצעות ספינים של אלקטרונים בודדים - אבל קיוביטים כאלה אינם מתקדמים כמו חלק מעמיתיהם. עם זאת, זה לא אומר שקיוביטים מבוססי ספין אינם בשימוש.

"בשלב זה, לכל הפלטפורמות הקיימות למחשוב קוונטי יש חסרונות גדולים, ולכן הכרחי לחקור גישות חדשות", מסביר היינריך.

הרכבה מדויקת

כדי ליצור מעבד מבוסס ספין בר-קיימא, יש להרכיב קיוביטים במדויק, לחבר ביניהם בצורה מהימנה, ולהפעיל אותם בצורה קוהרנטית קוונטית, הכל על אותה פלטפורמה. זה משהו שחמק עד כה מחוקרים, עד עכשיו - לפי הצוות שבסיסו בסיאול.

החוקרים יצרו את פלטפורמת ה-Multi-Qubit שלהם בעזרת STM, שהוא כלי רב עוצמה להדמיה ולטפל בחומר בקנה מידה אטומי. כאשר קצה המוליך של STM מקרב מאוד למשטח המדגם, אלקטרונים מסוגלים לעבור מנהרה קוונטית-מכנית בין הקצה למשטח המדגם.

מכיוון שההסתברות למנהור תלויה מאוד במרחק בין קצה למשטח, STM יכול למפות את הטופוגרפיה הננומטרית של המדגם על ידי מדידת הזרם של אלקטרוני המנהור הללו. ניתן גם לתמרן ולהרכיב אטומים בודדים על פני השטח על ידי דחיפתם על ידי הכוחות הננומטריים המופעלים על ידי הקצה.

באמצעות היכולות הללו הצוות "הדגים את פלטפורמת הקיוביט הראשונה עם דיוק בקנה מידה אטומי", לדברי היינריך. "זה מבוסס על ספינים של אלקטרונים על משטחים, שניתן למקם אותם במרחקים מדויקים מבחינה אטומית זה מזה".

קיוביט חיישן

באמצעות STM, החוקרים הרכיבו את המערכת שלהם על פני השטח הבתוליים של סרט דו-שכבתי של תחמוצת מגנזיום. המערכת כוללת קיוביט "חיישן", שהוא אטום ספין-1/2 טיטניום שנמצא ישירות מתחת לקצה STM. החוד מצופה באטומי ברזל, מה שאומר שניתן להשתמש בו כדי להפעיל שדה מגנטי מקומי (ראה איור).

משני צידי הקצה נמצאים זוג קיוביטים "מרוחקים" - גם ספין-1/2 אטומי טיטניום. אלה ממוקמים במרחקים מדויקים מהקווביט החיישן, מחוץ לאזור שבו יכולה להתרחש מנהור אלקטרונים בין אטומים.

כדי לשלוט בקיוביטים המרוחקים בו-זמנית עם קיוביט החיישן, הצוות יצר שיפוע שדה מגנטי על ידי הצבת אטומי ברזל בקרבת מקום. אטומי הברזל מתנהגים כמגנטים של אטום בודד מכיוון שזמני הרפיית הספין שלהם עולים בהרבה על זמני הפעולה של קיוביטים בודדים.

בדרך זו, אטומי הברזל פועלים כל אחד כתחליף לקצה STM במתן שדה מגנטי סטטי מקומי ליישור הספינים של כל קיוביט מרוחק. מעברים בין מצבי הספין של הקיוביטים נעשים על ידי שימוש בקצה STM כדי להפעיל פולסים בתדר רדיו על המערכת - טכניקה הנקראת תהודה ספין אלקטרונים.

התייחסו ועשו מניפולציות

הצוות אתחול הקיוביטים שלהם על ידי קירורם ל-0.4 K, ולאחר מכן הפעלת שדה מגנטי חיצוני כדי להביא אותם לאותו מצב ספין ולצימוד אותם יחד. לאחר מכן, מצב הקיוביט החיישן היה תלוי באופן מהימן במצבים של שני הקיוביטים המרוחקים, אך עדיין ניתן היה לטפל ולתפעל אותו בנפרד על ידי קצה ה-STM.

התוצאה הכוללת הייתה פלטפורמת קיוביט חדשה לגמרי שאפשרה להפעיל מספר קיוביטים בו זמנית. "המחקר שלנו השיג קיוביט בודד, שני קיוביט ושלושה שערים קיוביטים עם קוהרנטיות קוונטית טובה", אומר היינריך.

הוא מוסיף כי "לפלטפורמה יש את היתרונות והחסרונות שלה. במקצוענים, הוא מדויק מבחינה אטומית ולכן ניתן לשכפל אותו בקלות. לגבי החסרונות, הקוהרנטיות הקוונטית טובה אבל צריך לשפר עוד יותר".

אם ניתן להתגבר על האתגרים הללו, היינריך ועמיתיו רואים עתיד מזהיר למערכת שלהם.

"אנו מאמינים שניתן להגדיל את הגישה הזו בקלות יחסית לעשרות קיוביטים של אלקטרונים", אומר היינריך. "ניתן לקשר את סיבובי האלקטרונים הללו באופן בקרה לספינים גרעיניים, מה שעשוי לאפשר תיקון שגיאות קוונטי יעיל ולהגדיל את המרחב הפנוי של הילברט לפעולות קוונטיות. זה עתה שרטנו את פני השטח!"

המחקר מתואר ב מדע.

• הפצת תוכן ויחסי ציבור מופעל על ידי SEO. קבל הגברה היום.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. העצים את עצמך. גישה כאן.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. הידע מוגבר. גישה כאן.
• PlatoESG. פחמן, קלינטק, אנרגיה, סביבה, שמש, ניהול פסולת. גישה כאן.
• PlatoHealth. מודיעין ביוטכנולוגיה וניסויים קליניים. גישה כאן.
• מקור: https://physicsworld.com/a/three-qubit-computing-platform-is-made-from-electron-spins/