I nyt kvantecomputerdesign bruger qubits magneter til selektivt at kommunikere

Forskere er begyndt at bruge magneter til at sammenfiltre qubits, byggestenene i kvantecomputere. Denne simple teknik kunne låse op for komplekse muligheder.

Når du trykker på en knap for at åbne en garageport, åbner den ikke alle garageporte i nabolaget. Det skyldes, at åbneren og døren kommunikerer ved hjælp af en specifik mikrobølgefrekvens, en frekvens ingen anden nærliggende dør bruger.

Forskere fra U.S. Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory, University of Chicago, University of Iowa og Tohoku University i Japan er begyndt at udvikle enheder, der kunne bruge de samme principper - at sende signaler gennem magneter i stedet for gennem luften - at forbinde individuelle qubits på tværs af en chip, som rapporteret i et nyt papir offentliggjort i Proceedings of the National Academy of Sciences .

"Dette er et bevis på konceptet, ved stuetemperatur, af en skalerbar, robust kvanteteknologi, der bruger konventionelle materialer," sagde David Awschalom, Liew Family-professor i molekylær teknik og fysik ved University of Chicagos Pritzker School of Molecular Engineering; direktøren for Chicago Quantum Exchange; direktøren for Q-NEXT, et DOE National Quantum Information Science Research Center, der er vært i Argonne; og projektets hovedefterforsker. "Det skønne ved dette eksperiment er dets enkelthed og dets brug af veletableret teknologi til at konstruere og i sidste ende sammenfiltre kvanteenheder.

At forbinde qubits gennem kvantesammenfiltring er nødvendigt for at bygge en kvantecomputer, men det kan ofte være vanskeligt. Med nitrogen vacancy-centre (NV) - defekter i diamant, der kan bruges som qubits - er udfordringen, at for at kunne tale med hinanden, skal de være meget, meget tætte sammen. Den normale kvanteinteraktion mellem NV-centre har en maksimal rækkevidde på kun nogle få nanometer – en tusindedel af bredden af ​​et hår – og når NV-centrene er så tæt på hinanden, kan de ikke konstrueres til en nyttig konfiguration.

"Du skal være i stand til at få fingrene i tingene derinde for at forbinde ledninger og lave en enhed," sagde Michael Flatté, professor i fysik og astronomi ved University of Iowa, som har bidraget til arbejdet. Flatté er også chefforsker hos kvanteteknologivirksomheden QuantCAD LLC, en Chicago Quantum Exchange-virksomhedspartner. "Og nanometer er bare for tæt til det."

Det er her, magneter kommer ind.

For to år siden udgav Flatté og hans samarbejdspartnere et teoretisk papir, der foreslog at bruge et magnetisk materiale til at skabe en kvanteforbindelse mellem NV-centre, så de kunne blive viklet ind, mens de var længere fra hinanden. Den normale interaktion mellem to NV-centre involverer mikrobølger. I denne foreslåede enhed modtager magneten mikrobølgen fra NV-centret og sender den via "magnon" til NV'en på den anden side.

I en magnet peger spindene af alle elektronerne inde i den i samme retning, som kornstængler, der alle peger opad. En magnon er en let bølgeforstyrrelse gennem disse spins, som en bølge vinden ville lave hen over kornmarken. Magnoner kan gå meget længere end nanometer - endda tusind gange længere, faktisk til mange mikrometer.

"Mikrometerskalaen er ret interessant, fordi den er den typiske skala for mange integrerede elektroniske enheder, såsom siliciumtransistorer i en computerchip," sagde Flatté. "Så hvis du skulle lave ting i den størrelse, så kunne du få et rimeligt antal af dem på en chip."

At forbinde NV-center-qubits med magneter giver også mulighed for selektiv interaktion:Hvis to qubits i kvantecomputeren talte med en lidt anden frekvens, kunne de vikle sig sammen uden at forstyrre eller blive påvirket af de andre qubits, selvom der var andre qubits mellem dem. Denne evne er ekstremt vigtig for den slags komplekst arbejde, videnskabsmænd ønsker, at kvantecomputere skal udføre.

Dette eksperiment af Awschalom og hans samarbejdspartnere bekræftede med succes, at NV-centret kunne "tale" til det magnetiske materiale og transmittere dets mikrobølge som en magnon. Derudover matchede tallene næsten perfekt med det, der blev forudsagt i det teoretiske papir for to år siden.

"Dette arbejde er god synergi mellem eksperiment og teori," sagde Masaya Fukami, første forfatter på papiret. Fukami var postdoc ved Pritzker School of Molecular Engineering ved UChicago under eksperimentet og arbejder nu hos kvantecomputervirksomheden PsiQuantum. "Jeg var virkelig imponeret over, hvor godt modellen forudsagde eksperimentet. Det giver mig en masse tillid til dette system."

Nu hvor de har fastslået, at NV-centret kan tale med magneten, er næste skridt at sætte endnu et NV-center på den anden side og se, om magneten kan formidle en kvanteforbindelse mellem de to.

"Dette er den første integrationsmodalitet med magneter," sagde Flatté. "Jeg synes, det er en virkelig kraftfuld tilgang, som i princippet også kunne anvendes på andre solid state qubit-systemer."

Flere oplysninger: Masaya Fukami et al., Magnon-medieret qubit-kobling bestemt via dissipationsmålinger, Proceedings of the National Academy of Sciences (2024). DOI:10.1073/pnas.2313754120

Journaloplysninger: Proceedings of the National Academy of Sciences

Leveret af University of Chicago