Ny siliciumstruktur åbner porten til kvantecomputere

I et stort skridt i retning af at lave en kvantecomputer ved hjælp af dagligdags materialer, et team ledet af forskere ved Princeton University har konstrueret et vigtigt stykke siliciumhardware, der er i stand til at kontrollere kvanteadfærd mellem to elektroner med ekstremt høj præcision. Undersøgelsen blev offentliggjort 7. december i tidsskriftet Videnskab .

Teamet konstruerede en port, der styrer interaktioner mellem elektronerne på en måde, der gør det muligt for dem at fungere som kvantebits af information, eller qubits, nødvendigt for kvanteberegning. Demonstrationen af ​​dette næsten fejlfrie, to-qubit gate er et vigtigt tidligt skridt i opbygningen af ​​en mere kompleks quantum computing enhed fra silicium, det samme materiale, der bruges i konventionelle computere og smartphones.

"Vi vidste, at vi var nødt til at få dette eksperiment til at fungere, hvis siliciumbaseret teknologi skulle have en fremtid med hensyn til skalering og opbygning af en kvantecomputer, "sagde Jason Petta, professor i fysik ved Princeton University. "Oprettelsen af ​​denne high-fidelity to-qubit gate åbner døren til større eksperimenter."

Siliciumbaserede enheder vil sandsynligvis være billigere og lettere at fremstille end andre teknologier til opnåelse af en kvantecomputer. Selvom andre forskningsgrupper og virksomheder har annonceret kvanteenheder, der indeholder 50 eller flere qubits, disse systemer kræver eksotiske materialer såsom superledere eller ladede atomer, der holdes på plads af lasere.

Kvantecomputere kan løse problemer, der ikke er tilgængelige med konventionelle computere. Enhederne kan muligvis faktorere ekstremt store tal eller finde de optimale løsninger på komplekse problemer. De kan også hjælpe forskere med at forstå de fysiske egenskaber ved ekstremt små partikler, såsom atomer og molekyler, hvilket fører til fremskridt inden for områder som materialevidenskab og opdagelse af stoffer.

At bygge en kvantecomputer kræver, at forskere opretter qubits og kobler dem til hinanden med høj trofasthed. Siliciumbaserede kvanteenheder bruger en kvanteegenskab af elektroner kaldet "spin" til at kode information. Spinnet kan enten pege op eller ned på en måde, der er analog med nord- og sydpolen af ​​en magnet. I modsætning, konventionelle computere fungerer ved at manipulere elektronens negative ladning.

Opnå en høj ydeevne, spin-baseret kvanteenhed er blevet hæmmet af skrøbelige spin-tilstande-de vender let fra op til ned eller omvendt, medmindre de kan isoleres i et meget rent miljø. Ved at bygge siliciumkvanteenhederne i Princetons Quantum Device Nanofabrication Laboratory, forskerne var i stand til at holde spinnene sammenhængende - det vil sige i deres kvantetilstande - i relativt lange perioder.

For at konstruere to-qubit gate, forskerne lagde små aluminiumstråde på en stærkt bestilt siliciumkrystal. Ledningerne leverer spændinger, der fanger to enkeltelektroner, adskilt af en energibarriere, i en vellignende struktur kaldet en dobbelt kvantepunkt.

Ved midlertidigt at sænke energibarrieren, forskerne tillader elektronerne at dele kvanteinformation, skaber en særlig kvantetilstand, der kaldes forvikling. Disse fangede og sammenfiltrede elektroner er nu klar til brug som qubits, der er som konventionelle computerbits, men med superkræfter:mens en konventionel bit kan repræsentere et nul eller et 1, hver qubit kan samtidigt være et nul og et 1, stærkt udvidelse af antallet af mulige permutationer, der kan sammenlignes øjeblikkeligt.

"Udfordringen er, at det er meget svært at bygge kunstige strukturer, der er små nok til at fange og styre enkeltelektroner uden at ødelægge deres lange lagringstider, "sagde David Zajac, en kandidatstuderende i fysik ved Princeton og førsteforfatter på undersøgelsen. "Dette er den første demonstration af sammenfiltring mellem to elektronspins i silicium, et materiale, der er kendt for at levere et af de reneste miljøer for elektron -spin -tilstande. "

Forskerne demonstrerede, at de kan bruge den første qubit til at kontrollere den anden qubit, hvilket betyder, at strukturen fungerede som en kontrolleret NOT (CNOT) gate, som er kvanteversionen af ​​en almindeligt anvendt computerkredsløbskomponent. Forskerne styrer den første qubits adfærd ved at anvende et magnetfelt. Porten producerer et resultat baseret på tilstanden af ​​den første qubit:Hvis det første spin peges op, så vil den anden qubits spin vende, men hvis det første spin er nede, den anden vil ikke vende.

"Porten siger dybest set, at den kun vil gøre noget ved den ene partikel, hvis den anden partikel er i en bestemt konfiguration, "Sagde Petta." Hvad der sker med den ene partikel, afhænger af den anden partikel. "

Forskerne viste, at de kan opretholde elektronspins i deres kvantetilstande med en troværdighed på over 99 procent, og at porten fungerer pålideligt for at vende den anden qubits spin omkring 75 procent af tiden. Teknologien har potentiale til at skalere til flere qubits med endnu lavere fejlfrekvenser, ifølge forskerne.

"Dette arbejde skiller sig ud i et verdensomspændende løb for at demonstrere CNOT -porten, en grundlæggende byggesten til kvanteberegning, i siliciumbaserede qubits, "sagde HongWen Jiang, professor i fysik og astronomi ved University of California-Los Angeles. "Fejlprocenten for to-qubit-operationen er entydigt benchmarket. Det er særligt imponerende, at dette ekstraordinært vanskelige eksperiment, som kræver en sofistikeret fremstilling af enheden og en udsøgt kontrol af kvantetilstande, udføres i et universitetslaboratorium bestående af kun få forskere. "