Neue Spin-Kontrollmethode bringt Quantenchips näher an eine Milliarde Qubits

Australische Ingenieure haben einen neuen Weg entdeckt, um einzelne Elektronen präzise zu steuern, die in Quantenpunkten eingebettet sind, die Logikgatter betreiben. Darüber hinaus ist der neue Mechanismus weniger sperrig und erfordert weniger Teile, was sich als wesentlich erweisen könnte, um große Silizium-Quantencomputer Wirklichkeit werden zu lassen.

Die zufällige Entdeckung, die von Ingenieuren des Quantencomputing-Startups Diraq und der UNSW Sydney gemacht wurde, wird in der Übersicht detailliert beschrieben Nanotechnologie der Natur.

„Es war ein völlig neuer Effekt, den wir vorher noch nicht gesehen hatten, den wir zunächst nicht ganz verstanden haben“, sagte Hauptautor Dr. Will Gilbert, Quantenprozessor-Ingenieur bei Diraq, einem in Sydney ansässigen UNSW-Spin-off-Unternehmen. Campus. „Aber es wurde schnell klar, dass dies eine leistungsstarke neue Möglichkeit war, Spins in einem Quantenpunkt zu steuern. Und es war super spannend.“

Logikgatter sind der Eckpfeiler jeder Berechnung; Sie ermöglichen es „Bits“ – oder Binärziffern (0 und 1) – zusammenzuarbeiten, um Informationen zu verarbeiten. Ein Quantenbit (oder Qubit) existiert jedoch gleichzeitig in diesen beiden Zuständen, ein Zustand, der als “Überlagerung” bekannt ist. Dies ermöglicht eine Vielzahl von Rechenstrategien – einige exponentiell schneller, andere arbeiten gleichzeitig – die über herkömmliche Computer hinausgehen. Die Qubits selbst bestehen aus “Quantenpunkte“, winzige Nanogeräte, die ein oder wenige Elektronen einfangen können. Für die Berechnung ist eine präzise Kontrolle der Elektronen erforderlich.

Verwenden Sie eher elektrische als magnetische Felder

Beim Experimentieren mit verschiedenen geometrischen Kombinationen von nur einen Milliardstel Meter großen Geräten, die Quantenpunkte steuern, und verschiedenen Arten von Magneten und winzigen Antennen, die ihre Operationen antreiben, stieß Dr. Tuomo Tanttu auf einen seltsamen Effekt.

„Ich habe versucht, ein Zwei-Qubit-Gate mit großer Präzision zu betreiben, dabei viele verschiedene Geräte, leicht unterschiedliche Geometrien, unterschiedliche Materialstapel und unterschiedliche Steuerungstechniken durchlaufen“, erinnert sich Dr. Measurement bei Diraq. „Dann erschien diese seltsame Spitze. Es sah so aus, als würde sich die Rotationsgeschwindigkeit eines der Qubits beschleunigen, etwas, das ich in den vier Jahren, in denen ich diese Experimente durchgeführt habe, noch nie gesehen hatte.“

Was er entdeckt hatte, erkannten Ingenieure später, war eine neue Möglichkeit, den Quantenzustand eines einzelnen zu manipulieren Qubit Verwenden von elektrischen Feldern anstelle der zuvor verwendeten Magnetfelder. Seit der Entdeckung im Jahr 2020 haben Ingenieure die Technik perfektioniert, die zu einem weiteren Werkzeug in ihrem Arsenal geworden ist, um Diraqs Ziel zu verwirklichen, Milliarden von Qubits auf einem einzigen Chip zu bauen.

“Es ist eine neue Art, Qubits zu manipulieren, und es ist weniger umständlich zu bauen – Sie müssen keine Kobalt-Mikromagnete oder eine Antenne direkt neben den Qubits herstellen, um den Kontrolleffekt zu erzeugen”, sagte Gilbert. “Dadurch müssen keine zusätzlichen Strukturen um jede Tür herum platziert werden. So gibt es weniger Unordnung.”

Die Kontrolle einzelner Elektronen, ohne andere in der Nähe zu stören, ist für die Quanteninformationsverarbeitung in Silizium unerlässlich. Es gibt zwei etablierte Methoden:Elektronenspinresonanz(ESR) unter Verwendung einer On-Chip-Mikrowellenantenne und elektrische Dipolspinresonanz (EDSR), die auf einem induzierten Gradienten beruht Magnetfeld. Die neu entdeckte Technik ist als “intrinsic spin-orbit EDSR” bekannt.

„Normalerweise konstruieren wir unsere Mikrowellenantennen, um rein magnetische Felder bereitzustellen“, sagte Dr. Tanttu. „Aber dieses spezielle Antennendesign erzeugte mehr elektrisches Feld als wir wollten – und das erwies sich als Glück, denn wir entdeckten einen neuen Effekt, mit dem wir Qubits manipulieren können. Es ist ein Glück für Sie.“

Discovery bringt Quantencomputing näher an Silizium heran

„Dies ist ein neuer Mechanismus, ein Juwel, das den Reichtum an proprietären Technologien, die wir in den letzten 20 Jahren der Forschung entwickelt haben, nur noch erweitert“, sagte Professor Andrew Dzurak, CEO und Gründer von Diraq und Professor für Quantentechnik an der UNSW . , der das Team leitete, das 2015 das erste Silizium-Quantenlogikgatter baute.

„Es baut auf unserer Arbeit auf, Quantencomputer in Silizium Wirklichkeit werden zu lassen, die im Wesentlichen auf der gleichen Halbleiterkomponententechnologie wie bestehende Computerchips basieren, anstatt sich auf exotische Materialien zu verlassen“, fügte er hinzu. „Da es auf der gleichen CMOS-Technologie wie die heutige Computerindustrie basiert, wird unser Ansatz die Skalierung für die kommerzielle Produktion einfacher und schneller machen und unser Ziel erreichen, Milliarden von Qubits auf einem zu produzieren Einzelchip.”

CMOS (oder Complementary Metal-Oxide-Semiconductor, ausgesprochen „See-Moos“) ist der Herstellungsprozess im Herzen moderner Computer. Es wird verwendet, um alle Arten von integrierten Schaltungskomponenten herzustellen, einschließlich Mikroprozessoren, Mikrocontrollern, Speicherchips und anderen digitalen Logikschaltungen sowie analogen Schaltungen wie Bildsensoren und Datenwandlern.

Der Bau eines Quantencomputers wurde als „das Weltraumrennen des 21. Jahrhunderts“ bezeichnet – eine schwierige und ehrgeizige Herausforderung mit dem Potenzial, bahnbrechende Werkzeuge bereitzustellen, um ansonsten unmögliche Berechnungen wie das Design komplexer Medikamente und fortschrittlicher Materialien oder die schnelle Suche anzugehen von riesigen, unsortierten Datenbanken.

„Wir betrachten die Mondlandung oft als das größte technologische Wunder der Menschheit“, sagte Dzurak. „Aber die Wahrheit ist, dass die heutigen CMOS-Chips – mit Milliarden von eingebauten Betriebsgeräten, die wie eine Symphonie laufen und in der Tasche herumgetragen werden – eine erstaunliche technische Leistung sind, die das moderne Leben revolutioniert hat. Quantencomputer werden es sein genauso erstaunlich.”