XNUMX큐비트 컴퓨팅 플랫폼은 전자 스핀으로 만들어졌습니다.

여러 개의 스핀 기반 양자비트(큐비트)를 동시에 처리할 수 있는 양자컴퓨팅 플랫폼이 국내 연구진에 의해 개발됐다. 에 의해 설계된 배유정, 박수현, 앤드류 하인리히 서울 기초과학연구원 연구진은 주사 터널링 현미경(STM)을 이용해 시스템을 원자 단위로 조립했다.

미래의 양자 컴퓨터는 특정 작업에서 기존 컴퓨터보다 성능이 뛰어날 수 있어야 하지만, 오늘날의 초기 양자 프로세서는 여전히 실제 계산을 수행하기에는 너무 작고 시끄럽습니다. 양자 컴퓨터가 실행 가능하도록 오랫동안 정보를 유지할 수 있는 실행 가능한 큐비트 플랫폼을 만들려면 훨씬 더 많은 작업을 수행해야 합니다.

큐비트는 이미 슈퍼컴퓨팅 회로와 이온 포획 등 다양한 기술을 사용하여 개발되었습니다. 일부 물리학자들은 개별 전자의 스핀을 사용하여 큐비트를 만드는 데 열중하고 있지만 이러한 큐비트는 일부 큐비트만큼 발전하지 않았습니다. 그러나 이것이 스핀 기반 큐비트가 더 이상 실행되지 않는다는 의미는 아닙니다.

Heinrich는 “이 시점에서 기존의 모든 양자 컴퓨팅 플랫폼에는 큰 단점이 있으므로 새로운 접근 방식을 조사하는 것이 필수적입니다.”라고 설명합니다.

정밀한 조립

실행 가능한 스핀 기반 프로세서를 만들려면 큐비트를 정확하게 조립하고, 안정적으로 결합하고, 양자 일관성 방식으로 작동해야 합니다. 모두 동일한 플랫폼에서 이루어집니다. 서울에 있는 팀에 따르면 이것은 지금까지 연구자들이 회피해왔던 것입니다.

연구원들은 원자 규모의 물질을 이미징하고 조작하기 위한 강력한 도구인 STM의 도움으로 다중 큐비트 플랫폼을 만들었습니다. STM의 전도성 팁을 샘플 표면에 매우 가까이 가져가면 전자가 팁과 샘플 표면 사이를 양자역학적으로 터널링할 수 있습니다.

터널링 가능성은 팁과 표면 사이의 거리에 크게 좌우되므로 STM은 이러한 터널링 전자의 전류를 측정하여 샘플의 나노 규모 지형을 파악할 수 있습니다. 표면의 개별 원자는 팁에 가해지는 나노 규모의 힘으로 밀어서 조작하고 조립할 수도 있습니다.

Heinrich에 따르면 이러한 기능을 사용하여 팀은 "원자 수준의 정밀도를 갖춘 최초의 큐비트 플랫폼을 시연했습니다"라고 합니다. "이것은 서로 원자적으로 정확한 거리에 배치될 수 있는 표면의 전자 스핀을 기반으로 합니다."

센서 큐비트

연구진은 STM을 사용하여 산화마그네슘 이중층 필름의 깨끗한 표면에 시스템을 조립했습니다. 이 시스템에는 STM 팁 바로 아래에 위치한 스핀 1/2 티타늄 원자인 "센서" 큐비트가 포함되어 있습니다. 팁은 철 원자로 코팅되어 있어 국지적인 자기장을 적용하는 데 사용할 수 있습니다(그림 참조).

팁의 양쪽에는 한 쌍의 "원격" 큐비트(스핀-1/2 티타늄 원자)가 있습니다. 이들은 원자 사이의 전자 터널링이 발생할 수 있는 영역 외부, 센서 큐비트로부터 정확한 거리에 배치됩니다.

센서 큐비트와 동시에 원격 큐비트를 제어하기 위해 팀은 근처에 철 원자를 배치하여 자기장 그라데이션을 만들었습니다. 철 원자는 스핀 완화 시간이 개별 큐비트의 작동 시간을 훨씬 초과하기 때문에 단일 원자 자석처럼 동작합니다.

이러한 방식으로 철 원자는 각 원격 큐비트의 스핀을 정렬하기 위한 정적 로컬 자기장을 제공하는 데 있어 STM 팁을 대신하는 역할을 합니다. 큐비트의 스핀 상태 간 전환은 STM 팁을 사용하여 시스템에 무선 주파수 펄스를 적용함으로써 수행됩니다(전자 스핀 공명이라는 기술).

다루어지고 조작됨

팀은 큐비트를 0.4K로 냉각한 다음 외부 자기장을 적용하여 동일한 스핀 상태로 만들고 서로 결합함으로써 큐비트를 초기화했습니다. 이후 센서 큐비트의 상태는 두 원격 큐비트의 상태에 안정적으로 의존했지만 여전히 STM 팁을 통해 개별적으로 처리하고 조작할 수 있었습니다.

전반적인 결과는 여러 큐비트를 동시에 작동할 수 있는 완전히 새로운 큐비트 플랫폼이었습니다. “우리 연구에서는 우수한 양자 일관성을 갖춘 단일 큐비트, XNUMX큐비트, XNUMX큐비트 게이트를 달성했습니다.”라고 Heinrich는 말합니다.

그는 “플랫폼에는 장단점이 있습니다. 전문가의 경우 원자 단위로 정확하므로 쉽게 복제할 수 있습니다. 단점으로는 양자 일관성은 좋지만 더 개선이 필요하다”고 말했다.

이러한 문제를 극복할 수 있다면 Heinrich와 동료들은 시스템의 밝은 미래를 볼 수 있습니다.

Heinrich는 "우리는 이 접근 방식이 수십 개의 전자 큐비트로 비교적 쉽게 확장될 수 있다고 믿습니다."라고 말했습니다. “이러한 전자 스핀은 효율적인 양자 오류 수정을 가능하게 하고 양자 작업에 사용 가능한 힐베르트 공간을 늘릴 수 있는 핵 스핀과 제어 가능하게 결합될 수도 있습니다. 우리는 단지 표면만 긁었을 뿐입니다!”

연구는 다음에 설명되어 있습니다. 과학.

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• 출처: https://physicsworld.com/a/three-qubit-computing-platform-is-made-from-electron-spins/