Silicon qubits plus lys giver en ny kvanteberegningsevne

En siliciumbaseret kvanteberegningsenhed kan være tættere end nogensinde på grund af en ny eksperimentel enhed, der demonstrerer potentialet for at bruge lys som et budbringer til at forbinde kvantebits af information-kendt som qubits-som ikke umiddelbart støder op til hinanden. Bedriften er et skridt i retning af at lave kvanteberegningsudstyr fra silicium, det samme materiale, der bruges i nutidens smartphones og computere.

Forskningen, offentliggjort i tidsskriftet Natur , blev ledet af forskere ved Princeton University i samarbejde med kolleger ved University of Konstanz i Tyskland og Joint Quantum Institute, som er et partnerskab mellem University of Maryland og National Institute of Standards and Technology.

Holdet skabte qubits fra enkeltelektroner fanget i siliciumkamre kendt som dobbelte kvantepunkter. Ved at anvende et magnetfelt, de viste, at de kunne overføre kvanteinformation, indkodet i elektronegenskaben kendt som spin, til en lyspartikel, eller foton, åbner muligheden for at overføre kvanteinformation.

"Dette er et breakout -år for silicium -spin -qubits, "sagde Jason Petta, professor i fysik ved Princeton. "Dette arbejde udvider vores indsats i en helt ny retning, fordi det tager dig ud af at leve i et todimensionalt landskab, hvor du kun kan foretage kobling til nærmeste nabo, og ind i en verden af ​​alt-til-alle-forbindelser, "sagde han." Det skaber fleksibilitet i, hvordan vi laver vores enheder. "

Quantum -enheder tilbyder beregningsmuligheder, der ikke er mulige med nutidens computere, såsom factoring af store tal og simulering af kemiske reaktioner. I modsætning til konventionelle computere, enhederne fungerer i henhold til de kvantemekaniske love, der styrer meget små strukturer som enkeltatomer og subatomære partikler. Store teknologivirksomheder bygger allerede kvantecomputere baseret på superledende qubits og andre tilgange.

"Dette resultat giver en vej til skalering til mere komplekse systemer efter opskriften fra halvlederindustrien, "sagde Guido Burkard, professor i fysik ved universitetet i Konstanz, der gav vejledning om teoretiske aspekter i samarbejde med Monica Benito, en postdoktor. "Det er visionen, og dette er et meget vigtigt skridt. "

Jacob Taylor, medlem af teamet og en kollega ved Joint Quantum Institute, lignede lyset med en ledning, der kan forbinde spin -qubits. "Hvis du vil lave en kvanteberegningsenhed ved hjælp af disse indespærrede elektroner, hvordan sender du information rundt på chippen? Du har brug for den kvanteberegning, der svarer til en ledning. "

Silicium -spin -qubits er mere modstandsdygtige end konkurrerende qubit -teknologier til forstyrrelser udefra, såsom varme og vibrationer, som forstyrrer iboende skrøbelige kvantetilstande. Den enkle handling at aflæse resultaterne af en kvanteberegning kan ødelægge kvantetilstanden, et fænomen kendt som "kvantenedrivning".

Forskerne teoretiserer, at den nuværende tilgang kan undgå dette problem, fordi den bruger lys til at undersøge kvantesystemets tilstand. Lys bruges allerede som budbringer til at bringe kabel- og internetsignaler ind i hjemmet via fiberoptiske kabler, og det bruges også til at forbinde superledende qubit -systemer, men dette er en af ​​de første applikationer inden for silicium -spin -qubits.

I disse qubits, information repræsenteres af elektronens spin, som kan pege op eller ned. For eksempel, et spin, der peger opad, kan repræsentere et 0, og et spin, der peger nedad, kan repræsentere en 1. Konventionelle computere, i modsætning, bruge elektronens ladning til at kode oplysninger.

Tilslutning af siliciumbaserede qubits, så de kan tale med hinanden uden at ødelægge deres oplysninger, har været en udfordring for feltet. Selvom det Princeton-ledede team med succes koblede to nabostillede elektron-spins adskilt af kun 100 nanometer (100 milliarddeler af en meter), som offentliggjort i Science i december 2017, kobling spin til lys, hvilket ville muliggøre langdistance-spin-spin-kobling, har været en udfordring indtil nu.

I den aktuelle undersøgelse, teamet løste problemet med langdistancekommunikation ved at koble qubits oplysninger-det vil sige om centrifugeringen peger op eller ned - til en lyspartikel, eller foton, som er fanget over qubit i kammeret. Fotons bølgelignende natur gør det muligt at svinge over qubit som en bølgende sky.

Kandidatstuderende Xiao Mi og kolleger fandt ud af, hvordan man forbinder informationen om spinets retning til fotonet, så lyset kan opfange en besked, såsom "spin peger op, "fra qubit." Den stærke kobling af et enkelt spin til en enkelt foton er en ekstraordinært vanskelig opgave, der ligner en perfekt koreograferet dans, "Sagde Mi." Interaktionen mellem deltagerne - spin, ladning og foton - skal være præcist konstrueret og beskyttet mod miljøstøj, hvilket ikke har været muligt før nu. "Teamet på Princeton omfattede postdoktor Stefan Putz og kandidatstuderende David Zajac.

Fremskridtet blev muliggjort ved at trykke på lysets elektromagnetiske bølgeegenskaber. Lys består af oscillerende elektriske og magnetiske felter, og det lykkedes forskerne at koble lysets elektriske felt til elektronens spin -tilstand.

Forskerne gjorde det ved at bygge videre på teamets fund, der blev offentliggjort i december 2016 i tidsskriftet Science, der demonstrerede kobling mellem en enkelt elektronladning og en enkelt lyspartikel.

For at lokke qubit til at overføre sin spin -tilstand til fotonet, forskerne placerer elektron -spin i en stor magnetfeltgradient, så elektron -spin har en anden orientering afhængigt af hvilken side af kvantepunktet den indtager. Magnetfeltgradienten, kombineret med ladningskoblingen demonstreret af gruppen i 2016, kobler qubitens spin -retning til fotonets elektriske felt.

Ideelt set, fotonet vil derefter levere beskeden til en anden qubit placeret i kammeret. En anden mulighed er, at fotonens besked kunne transporteres gennem ledninger til en enhed, der læser meddelelsen op. Forskerne arbejder på disse næste trin i processen.

Flere trin er stadig nødvendige, før du laver en siliciumbaseret kvantecomputer, Sagde Petta. Hverdagens computere behandler milliarder af bits, og selvom qubits er mere beregningsmæssigt kraftfulde, de fleste eksperter er enige om, at 50 eller flere qubits er nødvendige for at opnå kvanteoverlegenhed, hvor kvantecomputere ville begynde at overgå deres klassiske modstykker.

Daniel Loss, en professor i fysik ved universitetet i Basel i Schweiz, der kender arbejdet, men ikke er direkte involveret, sagde:"Arbejdet af professor Petta og samarbejdspartnere er et af de mest spændende gennembrud inden for spin -qubits i de seneste år. Jeg har fulgt Jasons arbejde i mange år, og jeg er dybt imponeret over de standarder, han har sat for Mark, og igen med dette seneste eksperiment at blive vist i Natur . Det er en stor milepæl i jagten på at bygge en virkelig kraftfuld kvantecomputer, da den åbner en vej til at proppe hundredvis af millioner qubits på en kvadrat-tommer chip. Det er en meget spændende udvikling for feltet ¬— og videre. "