Tre-qubit databehandlingsplattform er laget av elektronspinn – Physics World

En kvantedatabehandlingsplattform som er i stand til samtidig drift av flere spinnbaserte kvantebiter (qubits) er laget av forskere i Sør-Korea. Designet av Yujeong Bae, Soo-hyon Phark, Andrew Heinrich og kolleger ved Institute for Basic Science i Seoul, er systemet satt sammen atom-for-atom ved hjelp av et skanningstunnelmikroskop (STM).

Mens fremtidens kvantedatamaskiner skal kunne utkonkurrere konvensjonelle datamaskiner på visse oppgaver, er dagens begynnende kvanteprosessorer fortsatt for små og støyende til å gjøre praktiske beregninger. Mye mer må gjøres for å lage levedyktige qubit-plattformer som kan beholde informasjon lenge nok til at kvantedatamaskiner er levedyktige.

Qubits er allerede utviklet ved hjelp av flere forskjellige teknologier, inkludert superdatakretser og fangede ioner. Noen fysikere er også opptatt av å lage qubits ved å bruke spinnene til individuelle elektroner - men slike qubits er ikke så avanserte som noen av deres motparter. Det betyr imidlertid ikke at spinnbaserte qubits er ute av drift.

"På dette tidspunktet har alle eksisterende plattformer for kvanteberegning store ulemper, så det er viktig å undersøke nye tilnærminger," forklarer Heinrich.

Nøyaktig montering

For å lage en levedyktig spin-basert prosessor, må qubits settes sammen nøyaktig, kobles sammen pålitelig og drives på en kvantekoherent måte, alt på samme plattform. Dette er noe som så langt har unngått forskere, til nå – ifølge det Seoul-baserte teamet.

Forskerne laget sin multi-qubit-plattform ved hjelp av en STM, som er et kraftig verktøy for å avbilde og manipulere materie på atomskala. Når den ledende spissen til en STM bringes veldig nær en prøveoverflate, er elektroner i stand til å kvantemekanisk tunnelere mellom spissen og prøveoverflaten.

Siden sannsynligheten for tunnelering er sterkt avhengig av avstanden mellom spiss og overflate, kan en STM kartlegge prøvens nanoskala topografi ved å måle strømmen til disse tunnelelektronene. Individuelle atomer på overflaten kan også manipuleres og settes sammen ved å skyve dem rundt av nanoskalakreftene som påføres av spissen.

Ved å bruke disse egenskapene har teamet "demonstrert den første qubit-plattformen med presisjon i atomskala," ifølge Heinrich. "Den er basert på elektronspinn på overflater, som kan plasseres i atomisk nøyaktige avstander fra hverandre."

Sensor qubit

Ved å bruke STM, monterte forskerne systemet sitt på den uberørte overflaten av en magnesiumoksid-dobbeltlagsfilm. Systemet inkluderer en "sensor" qubit, som er et spin-1/2 titanatom som er plassert rett under STM-spissen. Spissen er belagt med jernatomer, noe som betyr at den kan brukes til å påføre et lokalt magnetfelt (se figur).

På hver side av spissen er et par "fjerne" qubits - også spin-1/2 titanatomer. Disse er plassert i nøyaktige avstander fra sensor-qubit, utenfor området der elektrontunnelering mellom atomer kan forekomme.

For å kontrollere de eksterne qubitene samtidig med sensor-qubiten, laget teamet en magnetisk feltgradient ved å plassere jernatomer i nærheten. Jernatomene oppfører seg som enkeltatomsmagneter fordi deres spinrelaksasjonstider langt overstiger operasjonstidene til individuelle qubits.

På denne måten fungerer jernatomene hver som en erstatning for STM-spissen ved å gi et statisk, lokalt magnetfelt for å justere spinnene til hver ekstern qubit. Overganger mellom spinntilstandene til qubitene gjøres ved å bruke STM-spissen til å påføre radiofrekvenspulser til systemet - en teknikk som kalles elektronspinnresonans.

Adressert og manipulert

Teamet initialiserte qubitene sine ved å avkjøle dem til 0.4 K, og deretter bruke et eksternt magnetfelt for å bringe dem inn i samme spinntilstand og koble dem sammen. Etterpå var tilstanden til sensor-qubit pålitelig avhengig av tilstandene til begge eksterne qubits, men kunne fortsatt adresseres og manipuleres individuelt av STM-spissen.

Det samlede resultatet var en helt ny qubit-plattform som gjorde det mulig å operere flere qubits samtidig. "Vår studie har oppnådd enkelt qubit, to qubit og tre qubit porter med god kvantekoherens," sier Heinrich.

Han legger til at "plattformen har sine fordeler og ulemper. På proffene er den atomisk presis og kan derfor enkelt dupliseres. På ulempene er kvantekoherensen god, men må forbedres ytterligere."

Hvis disse utfordringene kan overvinnes, ser Heinrich og kollegene en lys fremtid for systemet deres.

"Vi tror at denne tilnærmingen relativt enkelt kan skaleres til titalls elektron-qubits," sier Heinrich. "Disse elektronspinnene kan også kontrolleres koblet til kjernefysiske spinn som kan muliggjøre effektiv kvantefeilkorreksjon og øke tilgjengelig Hilbert-plass for kvanteoperasjoner. Vi har akkurat skrapet i overflaten!»

Forskningen er beskrevet i Vitenskap.

• SEO-drevet innhold og PR-distribusjon. Bli forsterket i dag.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrk deg selv. Tilgang her.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunnskap forsterket. Tilgang her.
• PlatoESG. Karbon, CleanTech, Energi, Miljø, Solenergi, Avfallshåndtering. Tilgang her.
• PlatoHelse. Bioteknologisk og klinisk etterretning. Tilgang her.
• kilde: https://physicsworld.com/a/three-qubit-computing-platform-is-made-from-electron-spins/