Trójkubitowa platforma obliczeniowa zbudowana jest ze spinów elektronów – Świat Fizyki

Naukowcy z Korei Południowej stworzyli platformę obliczeń kwantowych zdolną do jednoczesnego działania wielu bitów kwantowych (kubitów) opartych na spinie. Zaprojektowany przez Yujeong Bae, Soo-hyon Phark, Andrzej Heinrich i współpracownikami z Instytutu Nauk Podstawowych w Seulu system składa się atom po atomie za pomocą skaningowego mikroskopu tunelowego (STM).

Choć komputery kwantowe przyszłości powinny być w stanie w niektórych zadaniach przewyższać konwencjonalne komputery, dzisiejsze rodzące się procesory kwantowe są wciąż zbyt małe i hałaśliwe, aby wykonywać praktyczne obliczenia. Należy zrobić znacznie więcej, aby stworzyć opłacalne platformy kubitowe, które będą w stanie przechowywać informacje przez wystarczająco długi czas, aby komputery kwantowe mogły funkcjonować.

Kubity opracowano już przy użyciu kilku różnych technologii, w tym obwodów superkomputerowych i uwięzionych jonów. Niektórzy fizycy chętnie tworzą także kubity wykorzystujące spiny poszczególnych elektronów – jednak takie kubity nie są tak zaawansowane jak niektóre ich odpowiedniki. Nie oznacza to jednak, że kubity oparte na spinie nie działają.

„W chwili obecnej wszystkie istniejące platformy obliczeń kwantowych mają poważne wady, dlatego konieczne jest zbadanie nowych podejść” – wyjaśnia Heinrich.

Precyzyjny montaż

Aby stworzyć realny procesor oparty na spinie, kubity muszą być precyzyjnie zmontowane, niezawodnie połączone ze sobą i obsługiwane w sposób spójny kwantowo, a wszystko to na tej samej platformie. Według zespołu z Seulu jest to coś, co do tej pory umykało badaczom.

Naukowcy stworzyli platformę wielokubitową za pomocą STM, który jest potężnym narzędziem do obrazowania materii i manipulowania nią w skalach atomowych. Kiedy przewodząca końcówka STM zostanie zbliżona bardzo blisko powierzchni próbki, elektrony mogą kwantowo-mechanicznie tunelować pomiędzy końcówką a powierzchnią próbki.

Ponieważ prawdopodobieństwo tunelowania silnie zależy od odległości między końcówką a powierzchnią, STM może odwzorować topografię próbki w nanoskali, mierząc prąd elektronów tunelujących. Pojedynczymi atomami na powierzchni można również manipulować i składać je, popychając je za pomocą sił w nanoskali wywieranych przez końcówkę.

Korzystając z tych możliwości, zespół „zademonstrował pierwszą platformę kubitową z precyzją w skali atomowej” – twierdzi Heinrich. „Opiera się na spinach elektronów na powierzchniach, które można umieścić w atomowo precyzyjnych odległościach od siebie”.

Kubit czujnika

Korzystając z STM, badacze zmontowali swój system na nieskazitelnej powierzchni dwuwarstwowej folii z tlenku magnezu. System zawiera kubit „czujnikowy”, czyli atom tytanu o spinie 1/2, umieszczony bezpośrednio pod końcówką STM. Końcówka jest pokryta atomami żelaza, co oznacza, że ​​można nią przyłożyć lokalne pole magnetyczne (patrz rysunek).

Po obu stronach końcówki znajduje się para „odległych” kubitów – także atomów tytanu o spinie 1/2. Są one umieszczane w dokładnych odległościach od kubitu czujnika, poza obszarem, w którym może zachodzić tunelowanie elektronów pomiędzy atomami.

Aby jednocześnie kontrolować odległe kubity i kubit czujnika, zespół stworzył gradient pola magnetycznego, umieszczając w pobliżu atomy żelaza. Atomy żelaza zachowują się jak magnesy jednoatomowe, ponieważ ich czasy relaksacji spinu znacznie przekraczają czasy działania poszczególnych kubitów.

W ten sposób każdy z atomów żelaza zastępuje końcówkę STM, zapewniając statyczne, lokalne pole magnetyczne do wyrównywania spinów każdego odległego kubitu. Przejścia między stanami spinowymi kubitów odbywają się za pomocą końcówki STM do podawania do układu impulsów o częstotliwości radiowej – jest to technika zwana elektronowym rezonansem spinowym.

Adresowane i manipulowane

Zespół zainicjował swoje kubity, schładzając je do 0.4 K, a następnie przykładając zewnętrzne pole magnetyczne, aby wprowadzić je w ten sam stan spinowy i sprzęgając je ze sobą. Następnie stan kubitu czujnika zależał niezawodnie od stanów obu odległych kubitów, ale nadal można go było adresować i manipulować indywidualnie za pomocą końcówki STM.

Ogólnym rezultatem była całkowicie nowa platforma kubitowa, która umożliwiała jednoczesną obsługę wielu kubitów. „W naszym badaniu uzyskano bramkę z pojedynczym kubitem, dwoma kubitami i trzema kubitami o dobrej spójności kwantowej” – mówi Heinrich.

Dodaje, że „platforma ma swoje zalety i wady. W przypadku profesjonalistów jest atomowo precyzyjny, dzięki czemu można go łatwo powielić. Jeśli chodzi o wady, spójność kwantowa jest dobra, ale wymaga dalszej poprawy.

Jeśli uda się pokonać te wyzwania, Heinrich i współpracownicy widzą świetlaną przyszłość dla swojego systemu.

„Uważamy, że to podejście można stosunkowo łatwo przeskalować do dziesiątek kubitów elektronowych” – mówi Heinrich. „Te spiny elektronów można również w sposób kontrolowany łączyć ze spinami jądrowymi, co może umożliwić skuteczną korekcję błędów kwantowych i zwiększyć dostępną przestrzeń Hilberta dla operacji kwantowych. Właśnie zarysowaliśmy powierzchnię!”

Badania opisano w nauka.

• Dystrybucja treści i PR oparta na SEO. Uzyskaj wzmocnienie już dziś.
• PlatoData.Network Pionowe generatywne AI. Wzmocnij się. Dostęp tutaj.
• PlatoAiStream. Inteligencja Web3. Wiedza wzmocniona. Dostęp tutaj.
• PlatonESG. Węgiel Czysta technologia, Energia, Środowisko, Słoneczny, Gospodarowanie odpadami. Dostęp tutaj.
• Platon Zdrowie. Inteligencja w zakresie biotechnologii i badań klinicznych. Dostęp tutaj.
• Źródło: https://physicsworld.com/a/three-qubit-computing-platform-is-made-from-electron-spins/