A korábban ismeretlen hatások felfedezése lehetővé teszi a spin qubitek kompakt, ultragyors vezérlését.
Illusztráció, amely bemutatja, hogyan lehet több qubitet vezérelni az új „intrinsic spin-orbit EDSR” eljárással. Kép: Tony Melov.
UNSW Sydney A mérnökök egy új módszert fedeztek fel a logikai kapukat futtató kvantumpontokba ágyazott egyedi elektronok precíz szabályozására. Az új mechanizmus emellett kevésbé terjedelmes, és kevesebb alkatrészt igényel, ami elengedhetetlen lehet a nagyméretű szilícium kvantumszámítógépek megvalósításához.
A serény felfedezés, amelyet a kvantumszámítástechnika induló mérnökei tettek Diraq és UNSW, részletezi a folyóirat Természet nanotechnológia.
"Ez egy teljesen új hatás volt, amit korábban soha nem láttunk, és amit először nem is értettünk" - mondta Dr. Will Gilbert, a vezető szerző, a Diraq kvantumprocesszor-mérnöke, az UNSW kensingtoni campusán székelő spin-off cége. . „De gyorsan világossá vált, hogy ez egy új, erőteljes módja a kvantumpont pörgéseinek szabályozásának. És ez rendkívül izgalmas volt.”
A logikai kapuk minden számítás alapvető építőkövei. Lehetővé teszik, hogy a „bitek” – vagy bináris számjegyek (0-k és 1-ek) – együttműködjenek az információfeldolgozás során. Azonban a kvantum A bit (vagy qubit) mindkét állapotban egyszerre létezik – ez a feltétel „szuperpozícióként” ismert. Ez számos számítási stratégiát tesz lehetővé – egyesek exponenciálisan gyorsabbak, mások egyidejűleg működnek –, amelyek túlmutatnak a klasszikus számítógépeken. Maguk a kubitok „kvantumpontokból” állnak – apró nanoeszközökből, amelyek egy vagy néhány elektront képesek befogni. Az elektronok pontos szabályozása szükséges a számításhoz.
Elektromos, nem pedig mágneses mező használata
Miközben a kvantumpontokat vezérlő, mindössze egymilliárd méter méretű eszközök különböző geometriai kombinációival kísérletezik, valamint különféle típusú, kisméretű mágnesekkel és antennákkal, amelyek a működésüket irányítják, Dr. Tuomo Tanttu ból ből UNSW Engineering furcsa hatásba botlott.
"Megpróbáltam igazán pontosan működtetni egy két qubites kaput, sok különböző eszközön, kissé eltérő geometrián, különböző anyagokon és különböző vezérlési technikákon keresztül iterálva" - mondta Dr. Tanttu, aki a Diraq mérésmérnöke is. „Aztán felbukkant ez a furcsa csúcs. Úgy tűnt, hogy az egyik qubit forgási sebessége felgyorsult, amit soha nem tapasztaltam négy év alatt, amikor ezeket a kísérleteket futtattam.
Amit felfedezett, a mérnökök később rájöttek, hogy egyetlen qubit kvantumállapotának elektromos mezők segítségével történő manipulálásának új módja volt a korábban használt mágneses mezők helyett. A 2020-as felfedezés óta a mérnökök tökélyre fejlesztették a technikát – ami újabb eszköz lett az arzenáljukban, hogy teljesítse Diraq azon törekvését, hogy több milliárd qubitet építsen egyetlen chipre.
"Ez egy új módja a kubitok manipulálásának, és kevésbé terjedelmes megépíteni – nem kell kobalt mikromágneseket vagy antennát közvetlenül a qubitek mellé gyártani a vezérlőhatás létrehozásához" - mondta Dr. Gilbert. „Megszünteti azt a követelményt, hogy minden kapu körül extra szerkezeteket kell elhelyezni. Így kevesebb a rendetlenség.”
A szilíciumban történő kvantuminformáció-feldolgozáshoz elengedhetetlen az egyes elektronok szabályozása anélkül, hogy a közelben lévőket zavarnánk. Két bevált módszer létezik: az elektronspin rezonancia (ESR) egy chipre épített mikrohullámú antennával, és az elektromos dipólus-spin rezonancia (EDSR), amely indukált gradiens mágneses téren alapul. Az újonnan felfedezett technika „intrinsic spin-orbit EDSR” néven ismert.
„Mikrohullámú antennáinkat általában úgy tervezzük, hogy tisztán mágneses teret bocsássanak ki” – mondta Dr. Tanttu. „De ez a különleges antennakialakítás több elektromos mezőt generált, mint amennyit szerettünk volna – de ez szerencsésnek bizonyult, mert felfedeztünk egy új effektust, amellyel a qubiteket manipulálhatjuk. Ez szerencsétlenség neked.”
Arra építve, hogy a szilíciumban végzett kvantumszámítás valósággá váljon
"Ez egy új mechanizmus gyöngyszeme, amely csak növeli a szabadalmaztatott technológia készletét, amelyet az elmúlt 20 éves kutatás során fejlesztettünk ki" Andrew Dzurak professzor, a Scientia kvantummérnöki professzora az UNSW-nél, valamint a Diraq vezérigazgatója és alapítója. Dzurak professzor vezette azt a csapatot, amely a első kvantumlogikai kapu szilíciumban A 2015.
„Munkánkra épít, hogy valósággá tegyük a szilíciumban a kvantumszámítást, amely lényegében ugyanazon a félvezető komponens technológián alapul, mint a meglévő számítógépes chipek, nem pedig egzotikus anyagokra támaszkodva.
A kutatócsoport: Andrew Dzurak professzor, Dr. Will Gilbert és Dr. Tuomo Tanttu. Fotó: Grant Turner.
„Mivel ugyanazon a CMOS technológián alapul, mint a mai számítógépipar, megközelítésünk megkönnyíti és gyorsabbá teszi a kereskedelmi gyártáshoz való kiterjesztést, és elérjük azt a célt, hogy egyetlen chipen több milliárd qubitet állítsunk elő.”
A CMOS (vagy kiegészítő fém-oxid-félvezető, ejtsd: „see-moss”) a modern számítógépek gyártási folyamata. Mindenféle integrált áramköri alkatrész készítésére használják – beleértve a mikroprocesszorokat, mikrokontrollereket, memóriachipeket és más digitális logikai áramköröket, valamint analóg áramköröket, például képérzékelőket és adatátalakítókat.
A kvantumszámítógép megépítését „a 21. század űrversenyének” nevezik – ez egy nehéz és ambiciózus kihívás, amely forradalmi eszközöket kínál az egyébként lehetetlen számítások leküzdésére, mint például összetett gyógyszerek és fejlett anyagok tervezése vagy a gyors keresés. hatalmas, rendezetlen adatbázisok.
„Gyakran úgy gondoljuk, hogy a Holdra szállunk, mint az emberiség legnagyobb technológiai csodájára” – mondta Dzurak professzor. „De az igazság az, hogy a mai CMOS chipek – több milliárd működő eszközzel egybeépítve, hogy szimfóniaszerűen működjenek, és amelyeket a zsebünkben hord – ez egy elképesztő technikai vívmány, amely forradalmasította a modern életet. A kvantumszámítás ugyanilyen lenyűgöző lesz.”
Forrás: Az új spinszabályozási módszer közelebb hozza a milliárd kvbites kvantumchipeket | UNSW híradó
