Qubits vendes omvendt

En gruppe forskere ved Niels Bohr Institute (NBI), Københavns Universitet, har fundet ud af, hvordan man får spin -qubits til at udføre kontrollerede bagudrotationer. Dette er aldrig blevet vist før - og tidsskriftet Fysisk gennemgangsbreve , hvor forskningen netop er blevet offentliggjort, fremhæver den innovative opdagelse i kategorien "Editorens forslag."

"Jeg gætter på, at du kan sige, at vi har fundet ud af, hvordan vi kører qubits i både fremad- og bakgear - under visse omstændigheder, "siger ph.d. Filip Malinowski, Center for Quantum Devices (QDev) ved Niels Bohr Institute.

Malinowski og QDev -kollega Frederico Martins - som nu er ved University of New South Wales, Australien - stod i spidsen for det 'omvendte projekt', som også omfattede forskere fra Purdue University, USA. De amerikanske forskeres rolle involverede produktionen af ​​ekstremt rene halvlederkrystaller, som NBI -teamet havde brug for som et fundament at bygge på, når de sammensatte det specifikke 'miljø', der var nødvendigt for at tvinge qubits til at vende om.

NBI -opdagelsen skal ses i sammenhæng med kvantecomputere, den nye og kraftfulde næste generations supercomputere, som forskere over hele verden - QDev er ingen undtagelse - stræber efter at udvikle gennem forskellige projekter.

For at bygge en kvantecomputer har du brug for qubits - og qubits adskiller sig fra binære bits, der er rygraden i nutidige computere. Binære bits kan antage værdierne 0 eller 1 og derfor - i princippet - fungere som switches:de er enten 'tændt', "eller de er" slukket ".

Ligesom klassiske stykker, qubits kan antage værdierne 0 og 1. Dog:qubits kan også være i en tilstand, der repræsenterer 0 og 1 samtidigt, en såkaldt superposition.

"Vi koder for qubits i den retning, som elektron -spin peger - og behandler kvanteinformation ved at rotere spins rundt om forskellige akser. Teoretisk set rotationer frem og tilbage giver forskellige superpositionstilstande, men eksperimentelt var det kun muligt at rotere fremad nu, ”siger Frederico Martins.

Hastighed og præcision

Det faktum, at qubits kan være i en superpositionstilstand, er det, der vil gøre det muligt for en kvantecomputer - når den er blevet udviklet - samtidig at foretage et virkelig stort antal forskellige beregninger.

For at udføre qubit-forskning skal du arbejde ved meget lave temperaturer-i nærheden af ​​absolut nul (-273,15 C)-grunden til det er, at disse forhold beskytter qubits mod forskellige forstyrrelser, som kan påvirke deres ydelsesniveau, f.eks. støj.

"Vores eksperimenter blev udført ved kun 0,02 C over det absolutte nul. Vi var i stand til at skabe denne meget lave temperatur takket være specielt udstyr i QDev -laboratoriet - en version af en kryostat, et såkaldt fortyndingskøleskab, "forklarer Filip Malinowski:

"Og når en kvantecomputer til sidst udvikles, det vil højst sandsynligt også indeholde en version af en kryostat. "

Bilens analogi

Hvad er de mulige praktiske konsekvenser af det faktum, at du nu kan tvinge qubits til at vende omvendt - som vist af NBI -forskerne?

For det første gør det det muligt at foretage hurtigere beregninger af en given datamængde, end der kan gøres afhængig af qubits udstyret med kun et fremadgående gear.

Men det er også muligt at vælge præcision frem for hastighed ved at lade 'reverse qubits' arbejde i et moderat tempo i en - fremtidig - kvantecomputer. I så fald vil fordelen være beregninger af øget præcision, fortæller Filip Malinowski:"Og som en konsekvens vil du være i stand til at undgå en masse fejl, der skulle rettes gennem yderligere beregning."

For at forstå, hvor meget lettere det pludselig bliver at styre qubits, når de er udstyret med et bakgear, en analogi med en bil kommer praktisk ind, siger lektor Ferdinand Kuemmeth, leder af QDev -teamet bag opdagelsen:

"Forestil dig, at du kører i bil langs en overfyldt gade - gaden, hvor du bor - og du ønsker at parkere den præcis foran din dør. Dette kan være en skræmmende opgave, især hvis der er mange biler - (støj, når vi taler qubits) - omkring dig. Og forestil dig nu at gøre dette uden bakgear:Hvis du overskrider lidt, du gik glip af din chance, og det er svært at komme med en løsning. Det samme er tilfældet med roterende qubits:Hvis man overskyder lidt - hvilket ofte sker på grund af det støjende miljø - var der ingen måde at rotere qubit tilbage - før nu! "

En byggeproces

Den omvendte funktion i qubits er blevet demonstreret i et eksperiment med et kvantemiljø, som NBI-forskerne byggede oven på en skræddersyet krystal-en sandwichlignende struktur leveret af Purdue University, lavet af et materiale med ekstraordinær ensartet fordeling af elektroner.

I bunden af ​​'miljøet' er krystalstrukturen - som NBI -forskerne dækkede med en polymer.

Det næste trin var at 'tegne' et mønster af riller i polymerlaget, ved hjælp af en elektronstråle.

Derefter blev den - nu svækkede - polymer skyllet væk fra det angivne mønster - og åbnet rillerne, som grøfter.

Til sidst blev rillerne oven på krystallen fyldt med et metal til dannelse af elektroder, hvoraf den mindste målte kun 20 nanometer - og ved at anvende forskellige spændinger på disse elektroder er det muligt at afvise eller tiltrække elektroner, i sidste ende placere individuelle elektroner i bestemte positioner.

NBI-forskerne brugte en sådan chip til nøjagtigt at kontrollere den såkaldte udvekslingsinteraktion-en grundlæggende vekselvirkning mellem elektroner, der kan bruges til at tvinge qubits til at vende tilbage-og hvordan dette gøres forklares mere detaljeret i nyhedsgrafikken.

Center for Quantum Devices, QDev - laboratoriet, hvor forskningen fandt sted. Foto:Ola Jakup Joensen

Den fortættede forklaring centrerer sig om, at når to elektroner drejer - den ene peger opad, den anden nedad - placeres i det samme lukkede rum, de begynder at rotere sammen, siger Filip Malinowski:

"I dette tilfælde er disse elektroner qubits - og hvis vi vender tilbage til bilens analogi, de vil begynde at rotere eller bevæge sig fremad. Indtil nu har antagelsen været, at dette faktisk var den eneste retning, hvor de muligvis kunne bevæge sig - det er her, vores opdagelse kommer ind. "

Den omvendte funktion bliver virkelighed, når to modsat pegende elektronspins - qubits - placeres i et begrænset miljø sammen med en masse andre elektronpar.

Nu - stadig ved meget lave temperaturer - bliver det pludselig muligt at tvinge qubits tilbage.

Gallium arsenid-det materiale, som den USA-producerede krystal er lavet af-spiller en fremtrædende rolle i NBI-eksperimentet, men teknikken vil sandsynligvis fungere lige så godt med en række andre halvledere, siger Filip Malinowski:

"Især silicium, hvilket er afgørende for de chips, der findes i vores nuværende generations processorer - men silicium kan også bruges som byggemateriale til kvantecomputere. "