Forskere demonstrerede med succes en kvanteport i silicium

Milepæl på vejen til kvantecomputeren:Forskere ved universitetet i Konstanz, Princeton University, og University of Maryland har udviklet en stabil kvanteport til to-kvantebitsystemer fremstillet af silicium. Kvanteporten er i stand til at udføre alle nødvendige grundlæggende operationer i kvantecomputeren. Elektronespin af individuelle elektroner i silicium bruges som grundlagerenhed ("kvantebits"). Forskningsresultaterne blev offentliggjort forud for print i Videnskab den 7. december 2017.

Det vil tage et par år, før produktionen af ​​kommercielle kvantecomputere. Kvantecomputere vil være mere effektive og vil være i stand til at løse problemer, der er umulige for nuværende computere. Imidlertid, kvantecomputeren reagerer meget mere følsomt på ydre forstyrrelser end en konventionel maskine. Følgelig, et primært mål er at skabe stabile "kvanteporte" - den grundlæggende "byggesten" i kvantecomputeren. Forskere fra universitetet i Konstanz, Princeton University og University of Maryland lykkedes nu at skabe stabile kvanteporte til to-kvantebitsystemer. Deres kvanteport bruger individuelle elektroner i silicium til at lagre kvantebitene, og de kan præcist styre og læse interaktionen mellem to kvantebit. Denne måde, eksperimentet omfatter alle nødvendige grundlæggende operationer af kvantecomputeren.

Fra elektron til kvantebit

Ligesom en klassisk digital computer bruger bits med værdierne på enten nul eller en som grundenhederne for alle beregningsprocesser, en kvantecomputer, bruger kvantebits. Forskellen er, at kvantebitten ikke er begrænset til to tilstande (nul og en), men kan eksistere i flere tilstande på én gang, og er derfor meget mere kompleks i sin implementering end et simpelt digitalt system. Forskere er kommet med flere ideer til teknisk realisering af en kvantebit, for eksempel, ved hjælp af ioner eller superledende systemer. Forskerne fra Konstanz, Princeton og Maryland, imidlertid, brug elektron -spin, det indre vinkelmoment for en enkelt elektron, som grundlag for kvantebits. Elektronens rotationsretning svarer til nul- og én -værdierne i den digitale bit, men i sin nøjagtige kvantetilstand, elektronen er i stand til at holde mere information end bare et simpelt nul eller en.

En første bedrift for forskerne var derfor at udtrække en enkelt elektron fra milliarder af atomer i et siliciumstykke. "Det var en ekstraordinær præstation af vores kolleger fra Princeton, "siger fysiker professor Guido Burkard, der koordinerede den teoretiske forskning i Konstanz. Forskerne brugte en kombination af elektromagnetisk tiltrækning og frastødning til at adskille en enkelt elektron fra elektronbunken. De adskilte elektroner er derefter opstillet præcist, og hver er indlejret i en slags "hul, "hvor de holdes i flydende tilstand.

Den næste udfordring var at udvikle et system til at kontrollere vinkelmomentet for individuelle elektroner. Konstanz-fysikere Guido Burkard og Maximilian Russ har udviklet følgende metode:En nano-elektrode påføres hver elektron. Ved hjælp af en magnetfeltgradient, fysikerne kan oprette et positionsafhængigt magnetfelt til at få adgang til de enkelte elektroner, derved muliggør forskerne at kontrollere elektronernes vinkelmoment. Denne måde, de har skabt stabile one-quantum-bit systemer til at gemme og læse oplysninger i form af elektronspins.

Skridtet mod to-kvantebitsystemet

En kvantebit, imidlertid, er ikke nok til at generere det grundlæggende koblingssystem for en kvantecomputer. For at gøre det, to kvantebit kræves. Det afgørende skridt Konstanz-forskerne tog mod to-kvantebitsystemet var at forbinde to elektroners tilstande. Et sådant link gør det muligt at konstruere basale switchingssystemer, hvormed alle grundlæggende operationer i kvantecomputeren kan udføres. For eksempel, systemet kan programmeres på en sådan måde, at en elektron kun roterer, når dens tilstødende elektron har et spin i en forudbestemt retning.

Dette betød, at forskerne fra Konstanz måtte oprette et stabilt system til at forbinde spinnene på to individuelle elektroner. "Det var den vigtigste og vanskeligste del af vores arbejde, "siger Guido Burkard, der designede og planlagde metoden sammen med teammedlem Maximilian Russ. De udviklede et koblingssystem, der koordinerer vinkelmomentet for to elektroner i indbyrdes afhængighed. En yderligere nano-elektrode er placeret mellem de to "hulninger", hvor siliciumelektronerne flyder. Denne elektrode styrer koblingen mellem de to elektronspins. Med denne metode, fysikerne har realiseret en stabil og funktionel grundbehandlingsenhed i en kvantecomputer. Troværdigheder for enkelte kvantebits er over 99 procent, og omkring 80 procent for to interaktive kvantebits - betydeligt mere stabile og mere præcise end i tidligere forsøg.

Silicium - et "tavs materiale"

Basismaterialet i kvanteporten er silicium. "Et magnetisk meget lydløst materiale med kun et lavt antal egne nukleare spins, "Guido Burkard siger, opsummerer fordelene ved silicium. Det er vigtigt, at atomkernerne i det valgte materiale ikke har for mange centrifugeringer, det er, iboende vinkelmoment, som kan forstyrre kvantebitene. Silicium, med omkring fem procent, har en ekstremt lav centrifugeringsaktivitet af sine atomkerner og er derfor et særligt egnet materiale. En anden fordel:Silicium er standardmaterialet i halvlederteknologi og derfor velundersøgt. Forskerne kan derfor drage fordel af mange års erfaring med materialet.