Tri-kubitna računalniška platforma je narejena iz vrtljajev elektronov – Physics World

Raziskovalci v Južni Koreji so ustvarili kvantno računalniško platformo, ki je sposobna hkratnega delovanja več kvantnih bitov (kubitov), ​​ki temeljijo na vrtenju. Oblikovano od Yujeong Bae, Soo-hyon Phark, Andreas Heinrich in sodelavci na Inštitutu za osnovno znanost v Seulu je sistem sestavljen atom za atomom z uporabo skenirajočega tunelskega mikroskopa (STM).

Medtem ko bi morali biti kvantni računalniki prihodnosti sposobni prekašati običajne računalnike pri določenih nalogah, so današnji nastajajoči kvantni procesorji še vedno premajhni in premajhni, da bi lahko izvajali praktične izračune. Veliko več je treba narediti za ustvarjanje sposobnih platform kubitov, ki lahko hranijo informacije dovolj dolgo, da so kvantni računalniki sposobni preživeti.

Qubiti so že bili razviti z uporabo več različnih tehnologij, vključno s superračunalniškimi vezji in ujetimi ioni. Nekateri fiziki se prav tako navdušujejo nad ustvarjanjem kubitov z uporabo vrtljajev posameznih elektronov – vendar takšni kubiti niso tako napredni kot nekateri njihovi primerki. Vendar to ne pomeni, da kubiti, ki temeljijo na vrtenju, ne bodo delovali.

"Na tej točki imajo vse obstoječe platforme za kvantno računalništvo velike pomanjkljivosti, zato je nujno raziskati nove pristope," pojasnjuje Heinrich.

Natančna montaža

Da bi ustvarili uspešen procesor, ki temelji na vrtenju, je treba kubite natančno sestaviti, zanesljivo povezati in upravljati na kvantno koherenten način, vse na isti platformi. To je nekaj, kar se je raziskovalcem do zdaj izmikalo - glede na ekipo s sedežem v Seulu.

Raziskovalci so ustvarili svojo večkubitno platformo s pomočjo STM, ki je močno orodje za slikanje in manipulacijo snovi na atomskih lestvicah. Ko se prevodna konica STM zelo približa površini vzorca, lahko elektroni kvantno-mehansko tunelirajo med konico in površino vzorca.

Ker je verjetnost tuneliranja močno odvisna od razdalje med konico in površino, lahko STM preslika topografijo vzorca na nanometru z merjenjem toka teh tunelskih elektronov. Posamezne atome na površini je mogoče tudi manipulirati in sestavljati tako, da jih potiskajo naokrog s silami nanometrskega merila, ki jih izvaja konica.

Z uporabo teh zmogljivosti je ekipa "demonstrirala prvo platformo qubit z natančnostjo atomskega merila," pravi Heinrich. "Temelji na vrtenju elektronov na površinah, ki jih je mogoče postaviti na atomsko natančne razdalje drug od drugega."

Senzorski kubit

Z uporabo STM so raziskovalci sestavili svoj sistem na neokrnjeni površini dvoslojnega filma magnezijevega oksida. Sistem vključuje "senzorski" kubit, ki je atom titana s spinom 1/2, ki se nahaja neposredno pod konico STM. Konica je prevlečena z atomi železa, kar pomeni, da se lahko uporablja za uporabo lokalnega magnetnega polja (glej sliko).

Na obeh straneh konice je par "oddaljenih" kubitov - prav tako atomi titana z vrtenjem 1/2. Ti so nameščeni na natančnih razdaljah od senzorskega kubita, zunaj območja, kjer lahko pride do tuneliranja elektronov med atomi.

Za nadzor oddaljenih kubitov hkrati s senzorskim kubitom je ekipa ustvarila gradient magnetnega polja s postavitvijo atomov železa v bližino. Atomi železa se obnašajo kot enoatomski magneti, ker njihovi sprostitveni časi vrtenja daleč presegajo delovne čase posameznih kubitov.

Na ta način vsak od atomov železa deluje kot nadomestek za konico STM pri zagotavljanju statičnega, lokalnega magnetnega polja za poravnavo vrtljajev vsakega oddaljenega kubita. Prehodi med vrtilnimi stanji kubitov se izvajajo z uporabo konice STM za uporabo radiofrekvenčnih impulzov v sistemu – tehnika, imenovana elektronska spinska resonanca.

Nagovorjen in zmanipuliran

Ekipa je svoje kubite inicializirala tako, da jih je ohladila na 0.4 K, nato pa uporabila zunanje magnetno polje, da bi jih spravila v isto stanje vrtenja in jih povezala skupaj. Nato je bilo stanje senzorskega kubita zanesljivo odvisno od stanj obeh oddaljenih kubitov, vendar ga je še vedno bilo mogoče posamično obravnavati in manipulirati s konico STM.

Skupni rezultat je bila popolnoma nova platforma kubitov, ki je omogočala hkratno delovanje več kubitov. "Naša študija je dosegla vrata z enim kubitom, dvema kubitoma in tremi kubiti z dobro kvantno koherenco," pravi Heinrich.

Dodaja, da ima »platforma svoje prednosti in slabosti. Kar zadeva prednosti, je atomsko natančen in ga je zato mogoče zlahka podvojiti. Kar zadeva slabosti, je kvantna koherenca dobra, vendar jo je treba še izboljšati.«

Če bo te izzive mogoče premagati, Heinrich in njegovi sodelavci vidijo svetlo prihodnost za svoj sistem.

"Verjamemo, da je ta pristop mogoče razmeroma enostavno prilagoditi na desetine elektronskih kubitov," pravi Heinrich. "Ti elektronski vrtljaji so lahko nadzorovano povezani z jedrskimi vrtljaji, kar lahko omogoči učinkovito kvantno popravljanje napak in poveča razpoložljivi Hilbertov prostor za kvantne operacije. Pravkar smo opraskali površje!«

Raziskava je opisana v Znanost.

• Distribucija vsebine in PR s pomočjo SEO. Okrepite se še danes.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Opolnomočite se. Dostopite tukaj.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Razširjeno znanje. Dostopite tukaj.
• PlatoESG. Ogljik, CleanTech, Energija, Okolje, sončna energija, Ravnanje z odpadki. Dostopite tukaj.
• PlatoHealth. Obveščanje o biotehnologiji in kliničnih preskušanjih. Dostopite tukaj.
• vir: https://physicsworld.com/a/three-qubit-computing-platform-is-made-from-electron-spins/