Fuld kontrol over en seks-qubit kvanteprocessor i silicium

Forskere ved QuTech – et samarbejde mellem Delft University of Technology og TNO – har konstrueret et rekordstort antal af seks siliciumbaserede spin-qubits i et fuldt interoperabelt array. Det er vigtigt, at qubits kan betjenes med en lav fejlrate, som opnås med et nyt chipdesign, en automatiseret kalibreringsprocedure og nye metoder til qubit-initialisering og udlæsning. Disse fremskridt vil bidrage til en skalerbar kvantecomputer baseret på silicium. Resultaterne er publiceret i Nature i dag.

Forskellige materialer kan bruges til at producere qubits, kvanteanalogen til biten på den klassiske computer, men ingen ved, hvilket materiale der vil vise sig at være bedst til at bygge en storstilet kvantecomputer. Til dato har der kun været mindre demonstrationer af siliciumkvantechips med højkvalitets qubit-operationer. Nu har forskere fra QuTech, ledet af prof. Lieven Vandersypen, produceret en seks qubit-chip i silicium, der fungerer med lave fejlfrekvenser. Dette er et stort skridt hen imod en fejltolerant kvantecomputer, der bruger silicium.

For at lave qubits placeres individuelle elektroner i en lineær række af seks "kvanteprikker" med en afstand på 90 nanometer fra hinanden. Rækken af ​​kvanteprikker er lavet i en siliciumchip med strukturer, der ligner transistoren - en fælles komponent i hver computerchip. En kvantemekanisk egenskab kaldet spin bruges til at definere en qubit, hvor dens orientering definerer den logiske tilstand 0 eller 1. Holdet brugte finjusteret mikrobølgestråling, magnetiske felter og elektriske potentialer til at kontrollere og måle individuelle elektroners spin og få dem til at interagere med hinanden.

"Kvantecomputerudfordringen i dag består af to dele," forklarede førsteforfatter Stephan Philips. "At udvikle qubits, der er af god nok kvalitet, og udvikle en arkitektur, der gør, at man kan bygge store systemer af qubits. Vores arbejde passer ind i begge kategorier. Og da det overordnede mål med at bygge en kvantecomputer er en enorm indsats, synes jeg, det er retfærdigt at sige, at vi har ydet et bidrag i den rigtige retning."

Elektronens spin er en delikat egenskab. Små ændringer i det elektromagnetiske miljø får spinretningen til at svinge, og det øger fejlraten. QuTech-teamet byggede på deres tidligere erfaring med at konstruere kvanteprikker med nye metoder til at forberede, kontrollere og læse elektronernes spintilstande. Ved at bruge dette nye arrangement af qubits kunne de skabe logiske porte og sammenfiltre systemer med to eller tre elektroner efter behov.

Kvante-arrays med over 50 qubits er blevet produceret ved hjælp af superledende qubits. Det er imidlertid den globale tilgængelighed af siliciumteknisk infrastruktur, der giver siliciumkvanteenheder løftet om lettere migrering fra forskning til industri. Silicium bringer visse tekniske udfordringer, og indtil dette arbejde fra QuTech-teamet, kunne kun arrays på op til tre qubits konstrueres i silicium uden at ofre kvaliteten.

"Dette papir viser, at med omhyggelig konstruktion er det muligt at øge siliciumspin-qubit-antallet, mens man holder samme præcision som for enkelte qubits. Nøglebyggestenen udviklet i denne forskning kan bruges til at tilføje endnu flere qubits i de næste iterationer af undersøgelse," sagde medforfatter Dr. Mateusz Madzik.

"I denne forskning skubber vi rammen for antallet af qubits i silicium og opnår høj initialiseringstrohed, høj udlæsningsnøjagtighed, høj enkelt-qubit gate-gengivelse og høj to-qubit-tilstandstrohed," sagde prof. Vandersypen. "Det, der dog virkelig skiller sig ud, er, at vi demonstrerer alle disse egenskaber sammen i et enkelt eksperiment på et rekordstort antal qubits." + Udforsk yderligere

Halvlederspin-qubits opnår yderligere troværdighed som førende platform for kvanteberegning