Australijscy inżynierowie odkryli nowy sposób precyzyjnego kontrolowania pojedynczych elektronów osadzonych w kropkach kwantowych, które uruchamiają bramki logiczne. Co więcej, nowy mechanizm jest mniej masywny i wymaga mniej części, co może okazać się niezbędne do urzeczywistnienia krzemowych komputerów kwantowych na dużą skalę.
Nieoczekiwane odkrycie, dokonane przez inżynierów ze start-upu zajmującego się komputerami kwantowymi Diraq i UNSW Sydney, zostało szczegółowo opisane w czasopiśmie Natura Nanotechnologia.
„To był zupełnie nowy efekt, którego nigdy wcześniej nie widzieliśmy i którego na początku nie do końca rozumieliśmy” – powiedział główny autor, dr Will Gilbert, inżynier procesorów kwantowych w Diraq, firmie spin-off UNSW z siedzibą w Sydney kampus. „Ale szybko stało się jasne, że był to nowy, potężny sposób kontrolowania spinów w kropce kwantowej. I to było bardzo ekscytujące.”
Bramki logiczne są podstawowym elementem wszystkich obliczeń; pozwalają „bitom” — lub cyfrom binarnym (0 i 1) — współpracować w celu przetwarzania informacji. Jednak bit kwantowy (lub kubit) istnieje jednocześnie w obu tych stanach, co jest znane jako „superpozycja”. Pozwala to na wiele strategii obliczeniowych – niektóre wykładniczo szybsze, inne działające jednocześnie – które wykraczają poza klasyczne komputery. Same kubity składają się z „kropki kwantowe”, maleńkich nanourządzeń, które mogą uwięzić jeden lub kilka elektronów. Precyzyjna kontrola elektronów jest niezbędna do przeprowadzenia obliczeń.
Inżynierowie Diraq odkryli nowy sposób precyzyjnego kontrolowania pojedynczych elektronów osadzonych w kropkach kwantowych, które obsługują bramki logiczne, przybliżając rzeczywistość tworzenia chipów kwantowych o wielkości miliarda kubitów. Co więcej, nowy mechanizm jest mniej masywny i wymaga mniej części, co może okazać się niezbędne do urzeczywistnienia krzemowych komputerów kwantowych na dużą skalę. Źródło: Diraq
Używanie pól elektrycznych zamiast magnetycznych
Eksperymentując z różnymi kombinacjami geometrycznymi urządzeń o wielkości zaledwie jednej miliardowej metra, które kontrolują kropki kwantowe, wraz z różnymi typami maleńkich magnesów i anten, które napędzają ich działanie, dr Tuomo Tanttu natknął się na dziwny efekt.
„Próbowałem naprawdę dokładnie obsługiwać dwukubitową bramkę, przechodząc przez wiele różnych urządzeń, nieco inną geometrię, różne stosy materiałów i różne techniki sterowania” — wspomina dr Tanttu, inżynier ds. pomiarów w firmie Diraq. „Wtedy pojawił się ten dziwny szczyt. Wyglądało na to, że tempo rotacji jednego z kubitów przyspieszyło, czego nigdy nie widziałem przez cztery lata prowadzenia tych eksperymentów”.
Inżynierowie zdali sobie później sprawę, że odkrył nowy sposób manipulowania stanem kwantowym pojedynczej jednostki qubit używając pól elektrycznych, a nie pól magnetycznych, których używali wcześniej. Od czasu odkrycia w 2020 roku inżynierowie udoskonalają technikę, która stała się kolejnym narzędziem w ich arsenale, aby spełnić ambicje Diraqa polegające na zbudowaniu miliardów kubitów na jednym chipie.
Artystyczna koncepcja pojedynczego kubitu trzymanego w kropce kwantowej odwraca się w odpowiedzi na sygnał mikrofalowy. Źródło: Tony Melov
„To nowy sposób manipulowania kubitami i jest mniej nieporęczny w budowie – nie trzeba wytwarzać kobaltowych mikromagnesów ani anteny tuż obok kubitów, aby wygenerować efekt kontroli” – powiedział Gilbert. „Usuwa wymóg umieszczania dodatkowych konstrukcji wokół każdej bramy. Dzięki temu jest mniej bałaganu”.
Kontrolowanie pojedynczych elektronów bez zakłócania innych w pobliżu jest niezbędne do kwantowego przetwarzania informacji w krzemie. Istnieją dwie ustalone metody: „rezonans spinowy elektronu” (ESR) przy użyciu wbudowanej anteny mikrofalowej; oraz elektryczny rezonans spinowy dipoli (EDSR), który opiera się na indukowanym gradiencie Pole magnetyczne. Nowo odkryta technika jest znana jako „wewnętrzny spin-orbitalny EDSR”.
„Zwykle projektujemy nasze anteny mikrofalowe tak, aby dostarczały pola czysto magnetyczne” – powiedział dr Tanttu. „Ale ta konkretna konstrukcja anteny generowała większe pole elektryczne, niż chcieliśmy – i okazało się to szczęśliwe, ponieważ odkryliśmy nowy efekt, który możemy wykorzystać do manipulowania kubitami. To dla ciebie szczęście”.
Widok z lotu ptaka na jedno z laboratoriów Diraqa w Sydney w Australii. Źródło: Shaun Dougherty
Discovery przybliża krzemowe obliczenia kwantowe
„To klejnot nowego mechanizmu, który po prostu uzupełnia skarbnicę zastrzeżonej technologii, którą opracowaliśmy w ciągu ostatnich 20 lat badań” — powiedział prof. Andrew Dzurak, dyrektor generalny i założyciel Diraq oraz profesor inżynierii kwantowej na UNSW , który kierował zespołem, który zbudował pierwszą kwantową bramkę logiczną w krzemie w 2015 roku.
„Opiera się na naszej pracy nad urzeczywistnieniem obliczeń kwantowych w krzemie, w oparciu o zasadniczo tę samą technologię komponentów półprzewodnikowych, co istniejące chipy komputerowe, zamiast polegać na egzotycznych materiałach” – dodał. „Ponieważ opiera się na tej samej technologii CMOS, co dzisiejsza branża komputerowa, nasze podejście ułatwi i przyspieszy skalowanie do produkcji komercyjnej i osiągnie nasz cel, jakim jest wytworzenie miliardów kubitów na pojedyńczy czip".
CMOS (lub komplementarny półprzewodnik z tlenku metalu, wymawiane jako „see-moss”) to proces produkcyjny leżący u podstaw nowoczesnych komputerów. Służy do tworzenia wszelkiego rodzaju elementów układów scalonych - w tym mikroprocesorów, mikrokontrolerów, układów pamięci i innych cyfrowych obwodów logicznych, a także obwodów analogowych, takich jak czujniki obrazu i konwertery danych.
Ilustracja przedstawiająca pojedynczy kubit, gdy ir zaczyna przyspieszać w odpowiedzi na sygnał mikrofalowy, a elektron zaczyna grzechotać w kropce kwantowej. Źródło: Tony Melov
Budowa komputera kwantowego została nazwana „wyścigiem kosmicznym XXI wieku” — trudnym i ambitnym wyzwaniem, które może dostarczyć rewolucyjnych narzędzi do wykonywania obliczeń, które w przeciwnym razie byłyby niemożliwe, takich jak projektowanie złożonych leków i zaawansowanych materiałów lub szybkie wyszukiwanie ogromnych, nieposortowanych baz danych.
„Często myślimy o lądowaniu na Księżycu jako o największym technologicznym cudzie ludzkości” — powiedział Dzurak. „Ale prawda jest taka, że dzisiejsze chipy CMOS – z miliardami urządzeń operacyjnych zintegrowanych ze sobą, aby działały jak symfonia i które nosisz w kieszeni – to zdumiewające osiągnięcie techniczne, które zrewolucjonizowało współczesne życie. Obliczenia kwantowe będą równie zdumiewające”.
Źródło: Nowa metoda kontroli spinu przybliża mikroukłady kwantowe o wielkości miliarda kubitów
