Et team av forskere i Nederland har plassert et rekordantall silisiumspinn-qubits på en brikke. Ved å kombinere en avansert modulær programvarestabel, effektive kalibreringsrutiner og pålitelig enhetsfabrikasjon, viste forskerne at de kunne betjene den nye seks-qubit-brikken med høy kvalitet, og ryddet veien for enda større qubit-tall i silisiumbaserte enheter.
Selv om kvantedatamaskiner har flere fordeler i prinsippet fremfor sine klassiske motstykker, vil mange av disse fordelene først realiseres når kvantedatamaskiner kan operere med minst en million qubits. Det finnes mange lovende qubit-plattformer, inkludert superledende qubits, fangede ioner og fotoniske plattformer, og forskere har så langt vist at de kan kontrollere mellom noen få dusin og noen få hundre qubits, avhengig av plattformen. I hvert tilfelle er imidlertid en av hovedfaktorene som hindrer forskere fra å skalere opp qubit-tall at qubits kan dekohere (miste sin kvantenatur) og bli gjenstand for krysstale fra nærliggende qubits. Begge prosessene påvirker kvaliteten på hele systemet.
Halvleder-qubits som silisiumspinn har et viktig høyt kort i qubit-plattformspillet: de kan masseproduseres som vanlige databrikker. Denne skalerbarheten gjør dem til en lovende kandidat for å bygge en storskala kvantedatamaskin, og den høye kvaliteten, eller troverdigheten, til operasjoner som involverer enkelt silisiumspinn-qubits eller par av qubits (99.9%) er en annen fordel.
Å operere større antall silisiumspinn-qubits med så høy kvalitet har imidlertid vist seg vanskelig fordi elektronspinnet er veldig delikat. Dette betyr at mens ulike qubit-prosesser (inkludert initialisering og utlesning) har blitt demonstrert individuelt med høy kvalitet, har kombinasjonen av dem betydd å ofre troverdigheten til hele prosessen.
Til neste nivå
Den nye silisiumbrikken bygget av forskere ved QuTech (et samarbeid mellom Delft University of Technology og TNO) overvinner noen av disse tidligere utfordringene. I tillegg til å inneholde et rekordantall på seks spinn-qubits plassert i et lineært kvantepunkt-array, inneholder brikken også to sensing-kvanteprikker for individuell så vel som universell kontroll og avlesning. I tillegg bruker forskerne et sett med protokoller som tar sikte på å opprettholde høy fidelitet, for eksempel automatiserte kalibreringsrutiner og et programvareprogram for ettervalgssignalbehandling for å redusere feil.
Det som ytterligere skiller dette resultatet fra tidligere forsøk er at prosessen med qubit-initialisering – det vil si å plassere alle qubitene i ønsket starttilstand – kombinerer målinger av spinntilstanden med tilbakemelding i sanntid. Denne ordningen har fordelen av å ikke stole på en mye langsommere prosess kalt termalisering, der qubitene "tilbakestilles" ved å plassere dem i grunntilstanden. På toppen av dette opererer hver spinn-qubit med et enkelt elektron og krever ikke tilgang til elektron-"reservoarer" for å få inn friske. Dette gjør operasjonene deres raskere, noe som betyr at operasjoner kan fullføres før dekoherensen starter.
Forskerne beviste den høye kvaliteten på enheten deres ved å demonstrere 99.9% troskap i operasjoner som involverer enkelt-qubit-porter. De tilsvarende to-qubit gate-fidelitetene ble indikert ved å forberede spesielle kvantetilstander kjent som Bell-tilstander med 89–95 % troskap på tvers av arrayet – et resultat som tydelig viste effekten av teamets avanserte protokoller.
Neste trinn: samtidige operasjoner
Hovedforsker Lieven Vandersypen, som var medforfatter av en artikkel i Natur som skisserer arbeidet, sier at teamets neste skritt vil være å utføre samtidige operasjoner på qubits, noe som vil tillate flere operasjoner å finne sted før effekten av dekoherens blir for stor. Han planlegger også å utføre kvantealgoritmer på prosessoren, og teamet jobber allerede med kvantepunktmatriser i to dimensjoner, samt metoder for å koble sammen to kvantepunktmatriser via en kvantelenke på brikken.
Silisiumspinn-qubits produsert i industriell skala
Silvano de Franceschi, en forsker ved CEA i Grenoble, Frankrike som ikke var involvert i dette arbeidet, kaller det "ganske solid og overbevisende". Han legger til at realisering av et seks-qubit-register er et viktig skritt mot å skalere opp qubit-tall i silisium, og sier at forskernes protokoller var medvirkende til å oppnå high fidelities for én- og to-qubit-operasjoner. Imidlertid påpeker han også at å utføre slike operasjoner i et elementært to-qubit-system ikke er det samme som å gjøre det i en qubit-matrise, siden sistnevnte er "teknisk mye mer krevende". Til slutt bemerker han at forskningen bringer frem viktige spørsmål som behovet for å forstå og kompensere for varmeeffekter knyttet til driften av en spin-qubit-array.
