Inginerii australieni au descoperit o nouă modalitate de a controla cu precizie electronii individuali amplasați în puncte cuantice care rulează porți logice. În plus, noul mecanism este mai puțin voluminos și necesită mai puține piese, ceea ce s-ar putea dovedi esențial pentru a face realitate calculatoarele cuantice cu siliciu la scară largă.

Descoperirea întâmplătoare, făcută de inginerii de la start-up-ul de calcul cuantic Diraq și UNSW Sydney, este detaliată în jurnal. Natură Nanotehnologia.

„Acesta a fost un efect complet nou pe care nu l-am mai văzut până acum, pe care nu l-am înțeles prea bine la început”, a spus autorul principal, dr. Will Gilbert, inginer cu procesor cuantic la Diraq, o companie spin-off UNSW cu sediul la Sydney. campus. „Dar a devenit rapid clar că acesta a fost un nou mod puternic de a controla rotațiile într-un punct cuantic. Și asta a fost super incitant.”

Porțile logice sunt blocul de bază al tuturor calculelor; ele permit „biților” – sau cifrelor binare (0 și 1) – să lucreze împreună pentru a procesa informații. Cu toate acestea, un bit cuantic (sau qubit) există în ambele stări simultan, o condiție cunoscută sub numele de „suprapunere”. Acest lucru permite o multitudine de strategii de calcul – unele exponențial mai rapide, altele care funcționează simultan – care depășesc computerele clasice. Qubiții înșiși sunt formați din „”, nanodispozitive mici care pot prinde unul sau câțiva electroni. Controlul precis al electronilor este necesar pentru ca calculul să aibă loc.

Inginerii Diraq au descoperit o nouă modalitate de a controla cu precizie electronii individuali amplasați în puncte cuantice care rulează porți logice, aducând mai aproape realitatea realizării cipurilor cuantice de miliarde de qubit. În plus, noul mecanism este mai puțin voluminos și necesită mai puține piese, ceea ce s-ar putea dovedi esențial pentru a face realitate calculatoarele cuantice cu siliciu la scară largă. Credit: Diraq

Folosind mai degrabă câmpuri electrice decât magnetice

În timp ce experimenta diferite combinații geometrice de dispozitive de doar miliarde de metru în dimensiune care controlează punctele cuantice, împreună cu diferite tipuri de magneți și antene minuscule care conduc operațiunile lor, dr. Tuomo Tanttu a dat peste un efect ciudat.

„Am încercat să operez cu adevărat o poartă de doi qubiți, repetând o mulțime de dispozitive diferite, geometrii ușor diferite, stive de materiale diferite și tehnici de control diferite”, își amintește Dr. Tanttu, inginer de măsurători la Diraq. „Apoi acest vârf ciudat a apărut. Se părea că viteza de rotație a unuia dintre qubiți creștea, ceea ce nu am văzut niciodată în patru ani de desfășurare a acestor experimente.”

Ceea ce descoperise, au realizat inginerii mai târziu, era o nouă modalitate de a manipula starea cuantică a unui singur  folosind câmpuri electrice, mai degrabă decât câmpurile magnetice pe care le foloseau anterior. De când descoperirea a fost făcută în 2020, inginerii au perfecționat tehnica – care a devenit un alt instrument din arsenalul lor pentru a îndeplini ambiția lui Diraq de a construi miliarde de qubiți pe un singur cip.

Conceptul de artist al unui singur qubit ținut într-un punct cuantic se răstoarnă ca răspuns la un semnal de microunde. Credit: Tony Melov

„Acesta este un nou mod de a manipula qubiții și este mai puțin voluminos de construit – nu trebuie să fabricați micro-magneți de cobalt sau o antenă chiar lângă qubiți pentru a genera efectul de control”, a spus Gilbert. „Înlătură cerința de a plasa structuri suplimentare în jurul fiecărei porți. Deci, este mai puțină dezordine.”

Controlul electronilor unici fără a-i deranja pe alții din apropiere este esențial pentru procesarea informațiilor cuantice în siliciu. Există două metode stabilite: „” (ESR) folosind o antenă cu microunde pe cip; și rezonanța de spin dipol electric (EDSR), care se bazează pe un gradient indus . Tehnica nou descoperită este cunoscută sub denumirea de „EDSR intrinsec pe orbită de spin”.

„În mod normal, proiectăm antenele noastre cu microunde pentru a furniza câmpuri pur magnetice”, a spus dr. Tanttu. „Dar acest design special de antenă a generat un câmp electric mai mult decât ne-am dorit – și asta s-a dovedit a fi norocos, pentru că am descoperit un nou efect pe care îl putem folosi pentru a manipula qubiții. Asta este o serendipitate pentru tine.”

Vedere de pasăre a unuia dintre laboratoarele lui Diraq din Sydney, Australia. Credit: Shaun Dougherty

Discovery aduce mai aproape calcularea cuantică de siliciu

„Acesta este o bijuterie de mecanism nou, care doar se adaugă la tezaurul de tehnologie brevetată pe care le-am dezvoltat în ultimii 20 de ani de cercetare”, a spus profesorul Andrew Dzurak, CEO și fondator al Diraq și profesor de inginerie cuantică la UNSW. , care a condus echipa care a construit prima poartă logică cuantică din siliciu în 2015.

„Se bazează pe munca noastră de a face calculul cuantic din siliciu o realitate, bazată în esență pe aceeași tehnologie de componente semiconductoare ca cipurile de computer existente, mai degrabă decât pe materiale exotice”, a adăugat el. „Deoarece se bazează pe aceeași tehnologie CMOS ca și industria computerelor de astăzi, abordarea noastră va face mai ușoară și mai rapidă extinderea pentru producția comercială și va atinge obiectivul nostru de a fabrica miliarde de qubiți pe un . "

CMOS (sau metal-oxid-semiconductor complementar, pronunțat „see-moss”) este procesul de fabricație care se află în centrul computerelor moderne. Este folosit pentru realizarea a tot felul de componente de circuit integrat, inclusiv microprocesoare, microcontrolere, cipuri de memorie și alte circuite logice digitale, precum și circuite analogice, cum ar fi senzori de imagine și convertoare de date.

Ilustrația unui singur qubit în timp ce ir începe să accelereze ca răspuns la un semnal de microunde, iar electronul începe să zdrăngănească în punctul cuantic. Credit: Tony Melov

Construirea unui computer cuantic a fost numită „cursa spațială a secolului 21” – o provocare dificilă și ambițioasă, cu potențialul de a oferi instrumente revoluționare pentru abordarea calculelor altfel imposibile, cum ar fi proiectarea de medicamente complexe și materiale avansate sau căutarea rapidă. de baze de date masive, nesortate.

„Ne gândim adesea că aterizarea pe Lună este cea mai mare minune tehnologică a umanității”, a spus Dzurak. „Dar adevărul este că cipurile CMOS de astăzi – cu miliarde de dispozitive de operare integrate împreună pentru a funcționa ca o simfonie și pe care le purtați în buzunar – este o realizare tehnică uluitoare și una care a revoluționat viața modernă. Calculul cuantic va fi la fel de uluitor.”

 

Sursa: Noua metodă de control al rotației aduce mai aproape cipurile cuantice de miliarde de qubit

Traduceți "