Halvleder qubits skalerer i to dimensioner

CPU'er er bygget ved hjælp af halvlederteknologi, som er i stand til at sætte milliarder af transistorer på en enkelt chip. Nu, forskere fra Menno Veldhorsts gruppe ved QuTech, et samarbejde mellem TU Delft og TNO, har vist, at denne teknologi kan bruges til at bygge en todimensionel række af qubits til at fungere som en kvanteprocessor. Deres arbejde, en afgørende milepæl for skalerbar kvanteteknologi, blev offentliggjort i dag i Natur .

Kvantecomputere har potentialet til at løse problemer, som er umulige at løse med klassiske computere. Mens nuværende kvanteenheder rummer snesevis af qubits - den grundlæggende byggesten i kvanteteknologien - vil en fremtidig universel kvantecomputer, der er i stand til at køre enhver kvantealgoritme, sandsynligvis bestå af millioner til milliarder af qubits. Quantum dot qubits lover at være en skalerbar tilgang, da de kan defineres ved hjælp af standard halvlederfremstillingsteknikker. Veldhorst:"Ved at sætte fire sådanne qubits i et to-til-to-gitter, demonstrerer universel kontrol over alle qubits, og betjene et kvantekredsløb, der sammenfiltrer alle qubits, vi har taget et vigtigt skridt fremad i at realisere en skalerbar tilgang til kvanteberegning."

En hel kvanteprocessor

Elektroner fanget i kvanteprikker, halvlederstrukturer på kun nogle få snese nanometer i størrelse, er blevet undersøgt i mere end to årtier som en platform for kvanteinformation. Trods alle løfter, skalering ud over to-qubit-logik er forblevet uhåndgribelig. For at bryde denne barriere, grupperne Menno Veldhorst og Giordano Scappucci besluttede at tage en helt anden tilgang og begyndte at arbejde med huller (dvs. manglende elektroner) i germanium. Ved at bruge denne tilgang, de samme elektroder, der er nødvendige for at definere qubits, kan også bruges til at styre og sammenfiltre dem.

"Der skal ikke tilføjes store yderligere strukturer ved siden af ​​hver qubit, så vores qubits er næsten identiske med transistorerne i en computerchip, " siger Nico Hendrickx, kandidatstuderende i Menno Veldhorsts gruppe og førsteforfatter til artiklen. "Desuden, vi har opnået fremragende kontrol og kan koble qubits efter ønske, giver os mulighed for at programmere en, to, tre, og fire-qubit porte, lovende meget kompakte kvantekredsløb."

2D er nøglen

Efter at have skabt den første germanium quantum dot qubit i 2019, antallet af qubits på deres chips er fordoblet hvert år. "Fire qubits gør på ingen måde en universel kvantecomputer, selvfølgelig, " siger Veldhorst. "Men ved at placere qubits i et to-til-to-gitter, ved vi nu, hvordan man kontrollerer og kobler qubits langs forskellige retninger." Enhver realistisk arkitektur til at integrere et stort antal qubits kræver, at de er sammenkoblet langs to dimensioner.

Germanium som en meget alsidig platform

Demonstrering af fire-qubit-logik i germanium definerer det nyeste inden for området med kvanteprikker og markerer et vigtigt skridt mod tæthed, og udvidet, todimensionelle halvleder-qubit-gitre. Udover dets kompatibilitet med avanceret halvlederproduktion, germanium er også et meget alsidigt materiale. Den har spændende fysikegenskaber såsom spin-kredsløbskobling, og den kan komme i kontakt med materialer som superledere. Germanium betragtes derfor som en fremragende platform inden for flere kvanteteknologier. Veldhorst:"Nu hvor vi ved, hvordan man fremstiller germanium og betjener en række qubits, germanium kvanteinformationsruten kan virkelig begynde."