Kvantecomputeringeniører udfører flere kontrolmetoder på kun ét atom

Kvantecomputeringeniører ved UNSW Sydney har vist, at de kan kode kvanteinformation – de særlige data i en kvantecomputer – på fire unikke måder inden for et enkelt atom, inde i en siliciumchip.

Bedriften kunne afhjælpe nogle af udfordringerne ved at betjene titusinder af kvanteberegningsenheder på blot et par kvadratmillimeter af en siliciumkvantecomputerchip.

I et papir udgivet i Nature Communications , beskriver ingeniørerne, hvordan de brugte de 16 kvante-"tilstande" af et antimonatom til at kode kvanteinformation.

Antimon er et tungt atom, der kan implanteres i en siliciumchip, der erstatter et af de eksisterende siliciumatomer. Den blev valgt, fordi dens kerne besidder otte forskellige kvantetilstande plus en elektron med to kvantetilstande, hvilket resulterer i i alt 8 x 2 =16 kvantetilstande, alle inden for kun ét atom. At nå det samme antal tilstande ved hjælp af simple kvantebits – eller qubits, den grundlæggende enhed for kvanteinformation – ville kræve fremstilling og kobling af fire af dem.

Hovedforfatter Irene Fernandez de Fuentes siger, at holdet, under vejledning af Scientia-professor Andrea Morello, trak på mere end ti års arbejde, der havde etableret forskellige metoder til kvantekontrol for at vise, at alle var mulige inden for det samme atom. Antimonatomet blev implanteret i chippen af ​​kolleger ved University of Melbourne ved hjælp af faciliteterne fra Heavy Ion Accelerators på Australian National University.

"Først viste vi, at vi kunne kontrollere antimonens elektron med et oscillerende magnetfelt, svarende til gennembruddet i 2012, som var første gang, en qubit nogensinde var blevet påvist i silicium," siger hun.

"Dernæst viste vi, at vi kunne bruge et magnetfelt til at manipulere spindet af antimonets kerne. Dette er standardmetoden for magnetisk resonans, som f.eks. bruges i MR-maskiner på hospitaler. Den tredje metode var at kontrollere antimonatomets kerne. med et elektrisk felt, noget der blev opdaget ved et heldigt uheld i 2020.

"Og den fjerde måde var at kontrollere både antimonkernen og elektronen i modsætning til hinanden ved at bruge et elektrisk felt ved hjælp af såkaldte flip-flop qubits, som blev demonstreret af dette hold sidste år.

"Dette seneste eksperiment viser, at alle fire af disse metoder kan bruges i den samme siliciumchip ved hjælp af den samme arkitektur."

Fordelen ved at have fire forskellige metoder er, at hver metode giver computeringeniører og fysikere mere fleksibilitet, når de skal designe fremtidige kvantecomputerchips.

For eksempel er magnetisk resonans hurtigere end elektrisk resonans, men magnetfeltet spreder sig meget i rummet, så det kan også påvirke naboatomer. Elektrisk resonans kan, selvom den er langsommere, anvendes meget lokalt for at vælge et specifikt atom uden at påvirke nogen af ​​dets naboer.

"Med dette store antimonatom har vi den fulde fleksibilitet af, hvordan vi integrerer det med en kontrolstruktur over en siliciumchip," siger prof. Morello.

Hvorfor dette betyder noget

Fremtidens kvantecomputere vil have millioner, hvis ikke milliarder af qubits, der arbejder samtidigt med at knuse tal og simulere modeller på få minutter, som ville tage nutidens supercomputere hundreder eller endda tusinder af år at færdiggøre.

Mens nogle teams rundt om i verden har gjort fremskridt med et stort antal qubits, såsom Googles 70 qubit-model eller IBM's version, som har mere end 1000, kræver de meget større plads, for at deres qubits kan fungere uden at forstyrre hinanden.

Men den tilgang, som prof. Morello og andre kolleger har taget på UNSW, er at designe kvantecomputere ved hjælp af teknologi, der allerede er i brug til at lave konventionelle computere. Selvom fremskridtene kan være langsommere med hensyn til antallet af arbejdende qubits, vil fordelen ved at bruge silicium betyde, at man kan have millioner af qubits i en kvadratmillimeter chip.

"Vi investerer i en teknologi, der er sværere, langsommere, men af ​​meget gode grunde, en af ​​dem er den ekstreme tæthed af information, som den vil være i stand til at håndtere," siger prof. Morello.

"Det er alt sammen meget godt at have 25 millioner atomer i en kvadratmillimeter, men du er nødt til at kontrollere dem en efter en. At have fleksibiliteten til at gøre det med magnetiske felter eller elektriske felter eller en hvilken som helst kombination af dem, vil give os masser af muligheder at spille med, når systemet skaleres op."

Tilbage til laboratoriet

Dernæst vil gruppen bruge antimonatomets store beregningsrum til at udføre kvanteoperationer, der er meget mere sofistikerede end dem, der tilbydes af almindelige qubits. De planlægger at kode en 'logisk' qubit i atomet – en qubit bygget på mere end to kvanteniveauer for at få nok redundans til at opdage og rette fejl, efterhånden som de opstår.

"Dette er den næste grænse for praktisk, nyttig kvantecomputerhardware," siger prof. Morello.

"At være i stand til at bygge en fejlkorrigeret logisk qubit inden for et enkelt atom vil være en enorm mulighed for at opskalere siliciumkvantehardware til det punkt, hvor det bliver kommercielt nyttigt."

Flere oplysninger: Irene Fernández de Fuentes et al., Navigering i det 16-dimensionelle Hilbert-rum i en high-spin donor-qudit med elektriske og magnetiske felter, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-45368-y

Leveret af University of New South Wales