I spring for kvanteberegning, siliciumkvantebits etablerer et langdistanceforhold

Forestil dig en verden, hvor folk kun kunne tale med deres nabo, og meddelelser skal sendes hus til hus for at nå langt til destinationer.

Indtil nu, dette har været situationen for de dele af hardware, der udgør en silicium kvantecomputer, en type kvantecomputer med potentiale til at være billigere og mere alsidig end nutidens versioner.

Nu har et hold baseret på Princeton University overvundet denne begrænsning og demonstreret, at to kvantecomputerkomponenter, kendt som silicium "spin" qubits, kan interagere, selv når de er placeret relativt langt fra hinanden på en computerchip. Undersøgelsen blev offentliggjort i tidsskriftet Natur .

"Evnen til at transmittere beskeder over denne afstand på en siliciumchip låser op for nye muligheder for vores kvantehardware, "sagde Jason Petta, Eugene Higgins professor i fysik ved Princeton og leder af undersøgelsen. "Det endelige mål er at have flere kvantebits arrangeret i et todimensionalt gitter, der kan udføre endnu mere komplekse beregninger. Undersøgelsen skal på længere sigt hjælpe med at forbedre kommunikation af qubits på en chip såvel som fra en chip til en anden. "

Kvantecomputere har potentialet til at tackle udfordringer ud over mulighederne for hverdagscomputere, såsom faktorisering af store tal. En kvantebit, eller qubit, kan behandle langt flere oplysninger end en daglig computerbit, fordi, hvorimod hver klassisk computerbit kan have en værdi på 0 eller 1, en kvantebit kan repræsentere et område af værdier mellem 0 og 1 samtidigt.

For at realisere kvantecomputerens løfte, disse futuristiske computere vil kræve titusindvis af qubits, der kan kommunikere med hinanden. Dagens prototype kvantecomputere fra Google, IBM og andre virksomheder indeholder snesevis af qubits lavet af en teknologi, der involverer superledende kredsløb, men mange teknologer betragter siliciumbaserede qubits som mere lovende i det lange løb.

Silicium spin qubits har flere fordele i forhold til superledende qubits. Silicium -spin -qubits bevarer deres kvantetilstand længere end konkurrerende qubit -teknologier. Den udbredte brug af silicium til hverdagscomputere betyder, at siliciumbaserede qubits kan fremstilles til lave omkostninger.

Udfordringen stammer til dels fra det faktum, at siliciumspin-qubits er lavet af enkelte elektroner og er ekstremt små.

"Kablet eller 'sammenkoblinger' mellem flere qubits er den største udfordring mod en storskala kvantecomputer, " sagde James Clarke, direktør for kvantehardware hos Intel, hvis team bygger silicium qubits ved hjælp af Intels avancerede produktionslinje, og som ikke var involveret i undersøgelsen. "Jason Pettas team har gjort et stort arbejde for at bevise, at spin-qubits kan kobles på lange afstande."

For at opnå dette, Princeton-teamet tilsluttede qubits via en "ledning", der bærer lys på en måde, der svarer til de fiberoptiske ledninger, der leverer internetsignaler til hjemmene. I dette tilfælde, imidlertid, ledningen er faktisk et smalt hulrum, der indeholder en enkelt partikel af lys, eller foton, der opfanger beskeden fra en qubit og sender den til den næste qubit.

De to qubits var placeret omkring en halv centimeter, eller omkring længden af ​​et riskorn, en del. For at sætte det i perspektiv, hvis hver qubit var på størrelse med et hus, qubit ville være i stand til at sende en besked til en anden qubit placeret 750 miles væk.

Det vigtigste skridt fremad var at finde en måde at få qubits og fotonen til at tale det samme sprog ved at indstille alle tre til at vibrere med samme frekvens. Holdet lykkedes med at tune begge qubits uafhængigt af hinanden, mens de stadig koblede dem til fotonen. Tidligere tillod enhedens arkitektur kun kobling af én qubit til fotonen ad gangen.

"Du skal afbalancere qubit -energierne på begge sider af chippen med fotononenergien for at få alle tre elementer til at tale med hinanden, sagde Felix Borjans, en kandidatstuderende og første forfatter på undersøgelsen. "Dette var den virkelig udfordrende del af arbejdet."

Hver qubit er sammensat af en enkelt elektron fanget i et lille kammer kaldet en dobbelt kvantepunkt. Elektroner har en egenskab kendt som spin, som kan pege op eller ned på en måde, der svarer til en kompasnål, der peger mod nord eller syd. Ved at zappe elektronen med et mikrobølgefelt, forskerne kan vende spindet op eller ned for at tildele qubitten en kvantetilstand på 1 eller 0.

"Dette er den første demonstration af sammenfiltring af elektronspin i silicium adskilt af afstande, der er meget større end enhederne, der rummer disse spins, " sagde Thaddeus Ladd, seniorforsker ved HRL Laboratories og en samarbejdspartner på projektet. "For ikke så længe siden, der var tvivl om, hvorvidt dette var muligt, på grund af de modstridende krav til kobling af centrifugeringer til mikrobølger og undgå effekter af støjende ladninger, der bevæger sig i siliciumbaserede enheder. Dette er et vigtigt bevis-på-mulighed for silicium-qubits, fordi det tilføjer betydelig fleksibilitet i, hvordan man wire disse qubits, og hvordan man placerer dem geometrisk i fremtidige silicium-baserede 'kvantemikrochips'."

Kommunikationen mellem to fjerne siliciumbaserede qubits-enheder bygger på tidligere arbejde fra Petta-forskerholdet. I et papir fra 2010 i tidsskriftet Videnskab , teamet viste, at det er muligt at fange enkelte elektroner i kvantebrønde. I journalen Natur i 2012, holdet rapporterede overførslen af ​​kvanteinformation fra elektronspin i nanotråde til mikrobølgefrekvensfotoner, og i 2016 i Videnskab de demonstrerede evnen til at overføre oplysninger fra en siliciumbaseret ladningskvbit til en foton. De demonstrerede nærmeste nabohandel med information i qubits i 2017 i Videnskab . Og holdet viste i 2018 i Natur at en siliciumspin-qubit kunne udveksle information med en foton.

Jelena Vuckovic, professor i elektroteknik og Jensen Huang -professor i globalt lederskab ved Stanford University, som ikke var involveret i undersøgelsen, kommenterede:"Demonstration af langtrækkende interaktioner mellem qubits er afgørende for videreudvikling af kvanteteknologier såsom modulære kvantecomputere og kvantenetværk. Dette spændende resultat fra Jason Pettas team er en vigtig milepæl mod dette mål, da det viser ikke-lokal interaktion mellem to elektronspin adskilt med mere end 4 millimeter, medieret af en mikrobølgefoton. I øvrigt, at bygge dette kvantekredsløb, holdet brugte silicium og germanium - materialer, der er meget brugt i halvlederindustrien."