I kapløb om at bygge kvantecomputerhardware begynder silicium at skinne

Forskning udført af Princeton University-fysikere baner vejen for brugen af ​​siliciumbaserede teknologier i kvantecomputere, især som kvantebits - kvantecomputernes grundlæggende enheder. Denne forskning lover at fremskynde brugen af ​​siliciumteknologi som et levedygtigt alternativ til andre kvantecomputerteknologier, såsom superledere eller fangede ioner.

I forskning offentliggjort i tidsskriftet Science Advances , brugte Princeton-fysikere en to-qubit siliciumkvanteenhed for at opnå et hidtil uset niveau af troskab. Med over 99 procent er dette den hidtil højeste kvalitet opnået for en to-qubit-gate i en halvleder og er på niveau med de bedste resultater opnået af konkurrerende teknologier. Fidelity, som er et mål for en qubits evne til at udføre fejlfri operationer, er en nøglefunktion i bestræbelserne på at udvikle praktisk og effektiv kvanteberegning.

Forskere rundt om i verden forsøger at finde ud af, hvilke teknologier - såsom superledende qubits, fangede ioner eller silicium spin qubits, for eksempel - der bedst kan anvendes som de grundlæggende enheder i kvanteberegning. Og, lige så vigtigt, undersøger forskere, hvilke teknologier der vil have evnen til at opskalere mest effektivt til kommerciel brug.

"Silicon spin qubits tager fart [i marken]," sagde Adam Mills, en kandidatstuderende ved Institut for Fysik ved Princeton University og hovedforfatteren af ​​den nyligt offentliggjorte undersøgelse. "Det ligner et stort år for silicium generelt."

Ved at bruge en siliciumenhed kaldet en dobbelt kvanteprik var Princeton-forskerne i stand til at fange to elektroner og tvinge dem til at interagere. Spin-tilstanden af ​​hver elektron kan bruges som en qubit, og interaktionen mellem elektronerne kan sammenfiltre disse qubits. Denne operation er afgørende for kvanteberegning, og forskerholdet, ledet af Jason Petta, Eugene Higgins professor i fysik ved Princeton, var i stand til at udføre denne sammenfiltringsoperation på et troskabsniveau på over 99,8 procent.

En qubit er i enkleste vendinger en kvanteversion af en computerbit, som er den mindste dataenhed i en computer. Ligesom dens klassiske modstykke er qubit'en kodet med information, der kan have værdien af ​​enten en eller nul. Men i modsætning til bit, er qubit i stand til at udnytte begreberne kvantemekanik, så den kan udføre opgaver, klassiske bits ikke kan.

"I en qubit kan du kode nuller og ettaller, men du kan også have superpositioner af disse nuller og ettaller," sagde Mills. Det betyder, at hver qubit kan være et nul og et samtidigt. Dette koncept, kaldet superposition, er en grundlæggende kvalitet i kvantemekanikken og en, der tillader qubits at udføre operationer, der virker fantastiske og overjordiske. Rent praktisk giver det kvantecomputeren en større fordel i forhold til konventionelle computere ved for eksempel at faktorisere meget store tal eller isolere den mest optimale løsning på et problem.

"Spin" i spin qubits er elektronens vinkelmomentum. Det er en kvanteegenskab, der manifesterer sig som en lille magnetisk dipol, der kan bruges til at kode information. En klassisk analog er en kompasnål, som har nord- og sydpoler og roterer for at flugte med Jordens magnetfelt. Kvantemekanisk kan elektronens spin flugte med det magnetiske felt, der genereres i laboratoriet (spin-up), eller være orienteret anti-parallelt med feltet (spin-down), eller være i en kvantesuperposition af spin-up og spin-down. Spin er egenskaben for elektronen, der anvendes i siliciumbaserede kvanteanordninger; konventionelle computere derimod fungerer ved at manipulere en elektrons negative ladning.

Mills hævdede, at siliciumspin-qubits generelt har fordele i forhold til andre qubit-typer. "Idéen er, at hvert system bliver nødt til at skalere op til mange qubits," sagde han. "Og lige nu har de andre qubit-systemer reelle fysiske begrænsninger for skalerbarhed. Størrelse kan være et reelt problem med disse systemer. Der er kun så meget plads, du kan proppe disse ting ind i."

Til sammenligning er silicium spin qubits lavet af enkelte elektroner og er ekstremt små.

"Vores enheder er kun omkring 100 nanometer på tværs, mens en konventionel superledende qubit er mere som 300 mikron på tværs, så hvis du vil lave mange på en chip, bliver det svært at bruge en superledende tilgang," sagde Petta.

Den anden fordel ved siliciumspin-qubits, tilføjede Petta, er, at konventionel elektronik i dag er baseret på siliciumteknologi. "Vores fornemmelse er, at hvis du virkelig ønsker at lave en million eller ti millioner qubits, der skal til for at gøre noget praktisk, vil det kun ske i et solid-state system, der kan skaleres ved hjælp af standard halvlederfabrikationsindustrien. "

Alligevel har det været en udfordring for forskere at betjene spin-qubits – ligesom andre typer qubits – med høj kvalitet.

"En af flaskehalsene for teknologien til spin-qubits er, at to-qubit-gatefideliteten indtil for ganske nylig ikke har været så høj," sagde Petta. "Det har været et godt stykke under 90 procent i de fleste eksperimenter."

Men det var en udfordring, som Petta og Mills og forskerholdet troede på kunne nås.

For at udføre eksperimentet skulle forskerne først fange en enkelt elektron - ingen lille opgave.

"Vi fanger en enkelt elektron, en meget lille partikel, og vi er nødt til at få den ind i et bestemt område af rummet og derefter få det til at danse," sagde Petta.

For at gøre dette skulle Mills, Petta og deres kolleger konstruere et "bur". Dette tog form af en wafertynd halvleder primært lavet af silicium. Øverst på dette mønstrede holdet små elektroder, som skaber det elektrostatiske potentiale, der bruges til at korral elektronen. To af disse bure sat sammen, adskilt af en barriere eller låge, udgjorde den dobbelte kvanteprik.

"Vi har to spins på tilstødende steder ved siden af ​​hinanden," sagde Petta. "Ved at justere spændingen på disse porte kan vi et øjeblik skubbe elektronerne sammen og få dem til at interagere. Dette kaldes en to-qubit-gate."

Interaktionen får hver spin-qubit til at udvikle sig i overensstemmelse med tilstanden af ​​dens tilstødende spin-qubits, hvilket fører til sammenfiltring i kvantesystemer. Forskerne var i stand til at udføre denne to-qubit-interaktion med en troskab på mere end 99 procent. Til dato er dette den højeste pålidelighed for en to-qubit-gate, der hidtil er blevet opnået i spin-qubits.

Petta sagde, at resultaterne af dette eksperiment placerer denne teknologi - silicium spin qubits - på lige fod med de bedste resultater opnået af de andre store konkurrerende teknologier. "Denne teknologi er på en stærkt stigende hældning," sagde han, "og jeg tror, ​​det kun er et spørgsmål om tid, før den overhaler de superledende systemer."

"Et andet vigtigt aspekt af dette papir," tilføjede Petta, "er, at det ikke kun er en demonstration af en to-qubit-gate med høj kvalitet, men denne enhed gør det hele. Dette er den første demonstration af et halvlederspin-qubit-system, hvor vi har integreret ydeevne af hele systemet – tilstandsforberedelsen, udlæsningen, enkelt qubit-kontrollen, to-qubit-kontrollen – alt sammen med ydeevnemålinger, der overstiger den tærskel, du skal bruge for at få et større system til at fungere."

Ud over Mills og Petta omfattede arbejdet også indsatsen fra Princeton-kandidatstuderende Charles Guinn og Mayer Feldman, samt University of Pennsylvania assisterende professor i elektroteknik Anthony Sigillito. Michael Gullans, Department of Physics, Princeton University og Center for Quantum Information and Computer Science ved NIST/University of Maryland, og Erik Nielsen fra Sandia National Laboratories, Albuquerque, New Mexico, bidrog også til papiret og forskningen. + Udforsk yderligere

En sammenfiltret tilstand på tre qubit er blevet realiseret i et fuldt kontrollerbart array af spin-qubits i silicium