Nền tảng điện toán ba qubit được tạo ra từ spin electron – Thế Giới Vật Lý

Nền tảng điện toán ba qubit được tạo ra từ spin electron – Thế Giới Vật Lý

Dấu thời gian: 28 tháng 2023 năm 10 38:XNUMX sáng

Qubit spin điện tử
Nền tảng nhiều qubit: trong sơ đồ này, một đầu STM được phủ bằng sắt (trên cùng) vận hành qubit quay cảm biến. Cũng hiển thị là các qubit quay từ xa, được sắp xếp theo từ trường của các nguyên tử sắt gần đó. (Được phép: Viện Khoa học cơ bản)

Một nền tảng điện toán lượng tử có khả năng hoạt động đồng thời nhiều bit lượng tử dựa trên spin (qubit) đã được các nhà nghiên cứu ở Hàn Quốc tạo ra. Thiết kế bởi Yujeong bae, Soo-hyon Phark, Andreas Heinrich và các đồng nghiệp tại Viện Khoa học Cơ bản ở Seoul, hệ thống này được lắp ráp từng nguyên tử một bằng kính hiển vi quét đường hầm (STM).

Mặc dù máy tính lượng tử trong tương lai có thể hoạt động tốt hơn máy tính thông thường ở một số tác vụ nhất định, nhưng bộ xử lý lượng tử non trẻ ngày nay vẫn còn quá nhỏ và ồn để thực hiện các phép tính thực tế. Còn nhiều việc phải làm để tạo ra các nền tảng qubit khả thi có thể lưu giữ thông tin đủ lâu để máy tính lượng tử có thể hoạt động được.

Qubit đã được phát triển bằng nhiều công nghệ khác nhau, bao gồm các mạch siêu máy tính và các ion bị bẫy. Một số nhà vật lý cũng quan tâm đến việc tạo ra các qubit bằng cách sử dụng spin của từng electron – nhưng những qubit như vậy không tiến bộ như một số qubit tương tự của chúng. Tuy nhiên, điều đó không có nghĩa là các qubit dựa trên spin không còn hoạt động nữa.

Heinrich giải thích: “Tại thời điểm này, tất cả các nền tảng hiện có cho điện toán lượng tử đều có những hạn chế lớn, do đó bắt buộc phải nghiên cứu các phương pháp tiếp cận mới”.

Lắp ráp chính xác

Để tạo ra bộ xử lý dựa trên spin khả thi, các qubit phải được lắp ráp chính xác, kết hợp với nhau một cách đáng tin cậy và vận hành theo cách kết hợp lượng tử, tất cả trên cùng một nền tảng. Đây là điều mà cho đến nay các nhà nghiên cứu vẫn chưa tìm ra được – theo nhóm nghiên cứu có trụ sở tại Seoul.

Các nhà nghiên cứu đã tạo ra nền tảng đa qubit của họ với sự trợ giúp của STM, đây là một công cụ mạnh mẽ để chụp ảnh và xử lý vật chất ở quy mô nguyên tử. Khi đầu dẫn của STM được đưa đến rất gần bề mặt mẫu, các electron có thể tạo đường hầm cơ học lượng tử giữa đầu nhọn và bề mặt mẫu.

Do xác suất tạo đường hầm phụ thuộc nhiều vào khoảng cách giữa đầu và bề mặt nên STM có thể vạch ra địa hình cấp nano của mẫu bằng cách đo dòng điện của các electron xuyên hầm này. Các nguyên tử riêng lẻ trên bề mặt cũng có thể được điều khiển và lắp ráp bằng cách đẩy chúng xung quanh nhờ lực kích thước nano do đầu nhọn tác dụng.

Theo Heinrich, bằng cách sử dụng những khả năng này, nhóm đã “trình diễn nền tảng qubit đầu tiên với độ chính xác ở quy mô nguyên tử”. “Nó dựa trên các spin của electron trên các bề mặt, có thể được đặt ở những khoảng cách chính xác về mặt nguyên tử với nhau.”

qubit cảm biến

Bằng cách sử dụng STM, các nhà nghiên cứu đã lắp ráp hệ thống của họ trên bề mặt nguyên sơ của màng hai lớp oxit magiê. Hệ thống này bao gồm một qubit “cảm biến”, là một nguyên tử titan có spin-1/2 nằm ngay bên dưới đầu STM. Đầu nhọn được phủ các nguyên tử sắt, nghĩa là nó có thể được sử dụng để tạo ra một từ trường cục bộ (xem hình).

Ở hai bên đầu nhọn là một cặp qubit “từ xa” – cũng là các nguyên tử titan có spin-1/2. Chúng được đặt ở những khoảng cách chính xác tính từ qubit cảm biến, bên ngoài khu vực có thể xảy ra hiện tượng chui hầm electron giữa các nguyên tử.

Để điều khiển đồng thời các qubit từ xa với qubit cảm biến, nhóm nghiên cứu đã tạo ra một gradient từ trường bằng cách đặt các nguyên tử sắt gần đó. Các nguyên tử sắt hoạt động giống như nam châm đơn nguyên tử vì thời gian hồi phục spin của chúng vượt xa thời gian hoạt động của từng qubit riêng lẻ.

Theo cách này, mỗi nguyên tử sắt đóng vai trò thay thế cho đầu STM trong việc cung cấp một từ trường tĩnh, cục bộ để căn chỉnh các spin của mỗi qubit từ xa. Sự chuyển đổi giữa các trạng thái spin của qubit được thực hiện bằng cách sử dụng đầu STM để áp các xung tần số vô tuyến vào hệ thống – một kỹ thuật gọi là cộng hưởng spin electron.

Địa chỉ và thao tác

Nhóm nghiên cứu đã khởi tạo các qubit của chúng bằng cách làm lạnh chúng xuống 0.4 K, sau đó tác dụng một từ trường bên ngoài để đưa chúng vào cùng trạng thái quay và ghép chúng lại với nhau. Sau đó, trạng thái của qubit cảm biến phụ thuộc đáng tin cậy vào trạng thái của cả hai qubit từ xa, nhưng vẫn có thể được xử lý và thao tác riêng lẻ bằng đầu STM.

Kết quả tổng thể là nền tảng qubit hoàn toàn mới cho phép nhiều qubit được vận hành đồng thời. Heinrich cho biết: “Nghiên cứu của chúng tôi đã đạt được một qubit đơn, hai qubit và ba cổng qubit với sự kết hợp lượng tử tốt”.

Ông nói thêm rằng, “nền tảng này có những ưu và nhược điểm. Về ưu điểm, nó chính xác về mặt nguyên tử và do đó có thể dễ dàng sao chép. Về nhược điểm, sự kết hợp lượng tử là tốt nhưng cần phải được cải thiện hơn nữa.”

Nếu vượt qua được những thách thức này, Heinrich và các đồng nghiệp sẽ nhìn thấy một tương lai tươi sáng cho hệ thống của họ.

Heinrich nói: “Chúng tôi tin rằng phương pháp này có thể được mở rộng tương đối dễ dàng lên hàng chục qubit electron”. “Các spin electron đó cũng có thể được kết hợp có điều khiển với các spin hạt nhân, điều này có thể cho phép sửa lỗi lượng tử hiệu quả và tăng không gian Hilbert sẵn có cho các hoạt động lượng tử. Chúng ta chỉ mới trầy xước bề mặt thôi!”

Nghiên cứu được mô tả trong Khoa học.

Dấu thời gian:

Thêm từ Thế giới vật lý