Eksperiment åbner dør for millioner af qubits på én chip

Forskere fra University of Basel og NCCR SPIN har opnået den første kontrollerbare interaktion mellem to hulspin-qubits i en konventionel siliciumtransistor. Gennembruddet åbner muligheden for at integrere millioner af disse qubits på en enkelt chip ved hjælp af modne fremstillingsprocesser.

Kapløbet om at bygge en praktisk kvantecomputer er godt i gang. Forskere over hele verden arbejder på et stort udvalg af qubit-teknologier. Indtil videre er der ingen konsensus om, hvilken type qubit der er bedst egnet til at maksimere potentialet for kvanteinformationsvidenskab.

Qubits er grundlaget for en kvantecomputer:de håndterer behandling, overførsel og lagring af data. For at fungere korrekt skal de både opbevare og hurtigt behandle information. Grundlaget for hurtig informationsbehandling er stabile og hurtige interaktioner mellem et stort antal qubits, hvis tilstande kan kontrolleres pålideligt udefra.

For at en kvantecomputer skal være praktisk, skal millioner af qubits rummes på en enkelt chip. De mest avancerede kvantecomputere i dag har kun et par hundrede qubits, hvilket betyder, at de kun kan udføre beregninger, der allerede er mulige (og ofte mere effektive) på konventionelle computere.

Elektroner og huller

For at løse problemet med at arrangere og forbinde tusindvis af qubits, stoler forskere ved University of Basel og NCCR SPIN på en type qubit, der bruger spin (iboende vinkelmomentum) af en elektron eller et hul. Et hul er i bund og grund en manglende elektron i en halvleder.

Både huller og elektroner har spin, som kan vedtage en af ​​to tilstande:op eller ned, analogt med 0 og 1 i klassiske bits. Sammenlignet med et elektronspin har et hulspin den fordel, at det kan styres helt elektrisk uden behov for yderligere komponenter såsom mikromagneter på chippen.

Så tidligt som i 2022 var Basel-fysikere i stand til at vise, at hullet, der snurrer i en eksisterende elektronisk enhed, kan fanges og bruges som qubits. Disse "FinFET'er" (fin field-effect transistorer) er indbygget i moderne smartphones og produceres i udbredte industrielle processer. Nu er det lykkedes et team ledet af Dr. Andreas Kuhlmann for første gang at opnå en kontrollerbar interaktion mellem to qubits inden for denne opsætning.

Hurtig og præcis kontrolleret spin-flip

En kvantecomputer har brug for "kvanteporte" for at udføre beregninger. Disse repræsenterer operationer, der manipulerer qubits og kobler dem til hinanden. Som forskerne rapporterer i tidsskriftet Nature Physics , var de i stand til at koble to qubits og frembringe et kontrolleret flip af det ene af deres spins, afhængigt af tilstanden af ​​den andens spin - kendt som et kontrolleret spin-flip.

"Hulspins giver os mulighed for at skabe to-qubit-gates, der er både hurtige og high-fidelity. Dette princip gør det nu også muligt at koble et større antal qubit-par," siger Kuhlmann.

Koblingen af ​​to spin-qubits er baseret på deres udvekslingsinteraktion, som forekommer mellem to partikler, der ikke kan skelnes, som interagerer med hinanden elektrostatisk. Overraskende nok er udvekslingsenergien af ​​huller ikke kun elektrisk kontrollerbar, men stærkt anisotropisk. Dette er en konsekvens af spin-orbit-kobling, hvilket betyder, at et huls spin-tilstand påvirkes af dets bevægelse gennem rummet.

For at beskrive denne observation i en model kombinerede eksperimentelle og teoretiske fysikere ved universitetet i Basel og NCCR SPIN kræfter. "Anisotropien gør to-qubit-gates mulige uden den sædvanlige afvejning mellem hastighed og troskab," siger Dr. Kuhlmann.

"Qubits baseret på hulspin udnytter ikke kun den gennemprøvede fremstilling af siliciumchips, de er også meget skalerbare og har vist sig at være hurtige og robuste i eksperimenter." Undersøgelsen understreger, at denne tilgang har en stor chance i kapløbet om at udvikle en storstilet kvantecomputer.

Flere oplysninger: Simon Geyer et al., Anisotropisk udvekslingsinteraktion mellem to hul-spin-qubits, Naturfysik (2024). DOI:10.1038/s41567-024-02481-5

Journaloplysninger: Naturfysik

Leveret af University of Basel