Νέα μέθοδος ελέγχου περιστροφής φέρνει πιο κοντά τα κβαντικά τσιπ δισεκατομμυρίων qubit | Newsroom UNSW

[et_pb_section fb_built=”1″ admin_label=”section” _builder_version=”4.16″ global_colors_info=”{}”][et_pb_row admin_label=”row” _builder_version=”4.16″position background_size=”initial” ” global_colors_info=”{}”][et_pb_column type=”4_4″ _builder_version=”4.16″ custom_padding=”|||” global_colors_info=”{}” custom_padding__hover=”|||”][et_pb_text admin_label=”Text” _builder_version=”4.16″ background_size=”initial” background_position=”top_left” background_repeat=”repeat” global_colors_info

Η ανακάλυψη ενός προηγουμένως άγνωστου φαινομένου καθιστά δυνατό τον συμπαγή, εξαιρετικά γρήγορο έλεγχο των qubits σπιν.

Εικόνα που δείχνει πώς μπορούν να ελεγχθούν πολλαπλά qubit χρησιμοποιώντας τη νέα διαδικασία «intrinsic spin-orbit EDSR». Εικόνα: Tony Melov.

UNSW Σίδνεϊ Μηχανικοί ανακάλυψαν έναν νέο τρόπο ακριβούς ελέγχου μεμονωμένων ηλεκτρονίων που βρίσκονται σε κβαντικές κουκκίδες που εκτελούν λογικές πύλες. Ο νέος μηχανισμός είναι επίσης λιγότερο ογκώδης και απαιτεί λιγότερα εξαρτήματα, κάτι που θα μπορούσε να αποδειχθεί απαραίτητο για την υλοποίηση κβαντικών υπολογιστών πυριτίου μεγάλης κλίμακας.

Η τυχαία ανακάλυψη, που έγινε από μηχανικούς στην νεοσύστατη εταιρεία κβαντικών υπολογιστών Diraq και UNSW, περιγράφεται λεπτομερώς στο περιοδικό Φύση Νανοτεχνολογία.

«Αυτό ήταν ένα εντελώς νέο φαινόμενο που δεν είχαμε ξαναδεί, το οποίο δεν κατανοήσαμε πλήρως στην αρχή», δήλωσε ο επικεφαλής συγγραφέας Δρ. Γουίλ Γκίλμπερτ, μηχανικός κβαντικών επεξεργαστών στην Diraq, μια εταιρεία spin-off του UNSW με έδρα την πανεπιστημιούπολη του Κένσινγκτον. «Αλλά γρήγορα έγινε σαφές ότι αυτός ήταν ένας ισχυρός νέος τρόπος ελέγχου των σπιν σε μια κβαντική κουκκίδα. Και αυτό ήταν εξαιρετικά συναρπαστικό».

Οι λογικές πύλες είναι το βασικό δομικό στοιχείο όλων των υπολογισμών. Επιτρέπουν σε «bits» – ή δυαδικά ψηφία (0 και 1) – να συνεργάζονται για την επεξεργασία πληροφοριών. Ωστόσο, ένα κβαντική Ένα bit (ή qubit) υπάρχει και στις δύο αυτές καταστάσεις ταυτόχρονα – μια συνθήκη γνωστή ως «υπέρθεση». Αυτό επιτρέπει μια πληθώρα στρατηγικών υπολογισμού – μερικές εκθετικά ταχύτερες, μερικές που λειτουργούν ταυτόχρονα – που ξεπερνούν τους κλασικούς υπολογιστές. Τα ίδια τα qubits αποτελούνται από «κβαντικές κουκκίδες» – μικροσκοπικές νανοσυσκευές που μπορούν να παγιδεύσουν ένα ή περισσότερα ηλεκτρόνια. Ο ακριβής έλεγχος των ηλεκτρονίων είναι απαραίτητος για να πραγματοποιηθεί ο υπολογισμός.

Χρήση ηλεκτρικών αντί για μαγνητικών πεδίων

Ενώ πειραματίζονταν με διαφορετικούς γεωμετρικούς συνδυασμούς συσκευών μεγέθους μόλις δισεκατομμυριοστών του μέτρου που ελέγχουν κβαντικές κουκκίδες, μαζί με διάφορους τύπους μικροσκοπικών μαγνητών και κεραιών που καθοδηγούν τις λειτουργίες τους, Δρ Τουόμο Τάντου από Μηχανική UNSW έπεσε πάνω σε ένα παράξενο αποτέλεσμα.

«Προσπαθούσα να χειριστώ με μεγάλη ακρίβεια μια πύλη δύο qubit, επαναλαμβάνοντας πολλές διαφορετικές συσκευές, ελαφρώς διαφορετικές γεωμετρίες, διαφορετικές στοίβες υλικών και διαφορετικές τεχνικές ελέγχου», δήλωσε ο Δρ Tanttu, ο οποίος είναι επίσης μηχανικός μετρήσεων στο Diraq. «Τότε εμφανίστηκε αυτή η παράξενη κορυφή. Φαινόταν ότι ο ρυθμός περιστροφής για ένα από τα qubit επιταχύνθηκε, κάτι που δεν είχα ξαναδεί στα τέσσερα χρόνια που διεξάγω αυτά τα πειράματα».

Διαβάστε περισσότερα: Για πολύ καιρό: οι μηχανικοί κβαντικής υπολογιστικής θέτουν νέα πρότυπα στην απόδοση των τσιπ πυριτίου

Αυτό που είχε ανακαλύψει, όπως συνειδητοποίησαν αργότερα οι μηχανικοί, ήταν ένας νέος τρόπος χειρισμού της κβαντικής κατάστασης ενός μόνο qubit χρησιμοποιώντας ηλεκτρικά πεδία, αντί για τα μαγνητικά πεδία που χρησιμοποιούσαν προηγουμένως. Από την ανακάλυψη που έγινε το 2020, οι μηχανικοί τελειοποιούν την τεχνική - η οποία έχει γίνει ένα ακόμη εργαλείο στο οπλοστάσιό τους για να εκπληρώσουν τη φιλοδοξία του Diraq να κατασκευάσει δισεκατομμύρια qubit σε ένα μόνο τσιπ.

«Αυτός είναι ένας νέος τρόπος χειρισμού qubits και είναι λιγότερο ογκώδης στην κατασκευή του - δεν χρειάζεται να κατασκευάσετε μικρομαγνήτες κοβαλτίου ή μια κεραία ακριβώς δίπλα στα qubits για να δημιουργήσετε το εφέ ελέγχου», δήλωσε ο Δρ Gilbert. «Αφαιρεί την απαίτηση τοποθέτησης επιπλέον δομών γύρω από κάθε πύλη. Έτσι, υπάρχει λιγότερη ακαταστασία».

Ο έλεγχος μεμονωμένων ηλεκτρονίων χωρίς να διαταράσσονται άλλα που βρίσκονται κοντά είναι απαραίτητος για την κβαντική επεξεργασία πληροφοριών στο πυρίτιο. Υπάρχουν δύο καθιερωμένες μέθοδοι: ο συντονισμός σπιν ηλεκτρονίων (ESR) χρησιμοποιώντας μια ενσωματωμένη κεραία μικροκυμάτων και ο ηλεκτρικός διπολικός συντονισμός σπιν διπόλου (EDSR), ο οποίος βασίζεται σε ένα επαγόμενο μαγνητικό πεδίο κλίσης. Η πρόσφατα ανακαλυφθείσα τεχνική είναι γνωστή ως «εγγενές σπιν-τροχιάς EDSR».

«Κανονικά, σχεδιάζουμε τις κεραίες μικροκυμάτων μας για να παρέχουν καθαρά μαγνητικά πεδία», δήλωσε ο Δρ Tanttu. «Αλλά αυτός ο συγκεκριμένος σχεδιασμός κεραίας δημιούργησε περισσότερο ηλεκτρικό πεδίο από όσο θέλαμε - αλλά αυτό αποδείχθηκε τυχερό, επειδή ανακαλύψαμε ένα νέο φαινόμενο που μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε για να χειριστούμε qubits. Αυτή είναι η τύχη για εσάς».

Βασιζόμενοι στην υλοποίηση της κβαντικής υπολογιστικής στο πυρίτιο

«Πρόκειται για ένα στολίδι νέου μηχανισμού, ο οποίος απλώς προσθέτει στον πλούτο της ιδιόκτητης τεχνολογίας που έχουμε αναπτύξει τα τελευταία 20 χρόνια έρευνας», δήλωσε. Καθηγητής Άντριου Ντζουράκ, Καθηγητής Scientia στην Κβαντική Μηχανική στο UNSW και Διευθύνων Σύμβουλος και ιδρυτής της Diraq. Ο καθηγητής Dzurak ηγήθηκε της ομάδας που κατασκεύασε το πρώτη κβαντική λογική πύλη σε πυρίτιο στο 2015.

«Βασίζεται στο έργο μας για να κάνουμε την κβαντική υπολογιστική στο πυρίτιο πραγματικότητα, βασισμένη ουσιαστικά στην ίδια τεχνολογία ημιαγωγικών εξαρτημάτων με τα υπάρχοντα τσιπ υπολογιστών, αντί να βασίζεται σε εξωτικά υλικά.»

Η ερευνητική ομάδα: Καθηγητής Andrew Dzurak, Δρ Will Gilbert και Δρ Tuomo Tanttu. Φωτογραφία: Grant Turner.

«Δεδομένου ότι βασίζεται στην ίδια τεχνολογία CMOS με τη σημερινή βιομηχανία υπολογιστών, η προσέγγισή μας θα διευκολύνει και θα επιταχύνει την κλιμάκωση για εμπορική παραγωγή και θα επιτύχει τον στόχο μας να κατασκευάσουμε δισεκατομμύρια qubits σε ένα μόνο τσιπ».

Το CMOS (ή συμπληρωματικό μεταλλικό οξείδιο-ημιαγωγό, προφέρεται «see-moss») είναι η διαδικασία κατασκευής στην καρδιά των σύγχρονων υπολογιστών. Χρησιμοποιείται για την κατασκευή κάθε είδους εξαρτημάτων ολοκληρωμένων κυκλωμάτων - συμπεριλαμβανομένων μικροεπεξεργαστών, μικροελεγκτών, τσιπ μνήμης και άλλων ψηφιακών λογικών κυκλωμάτων, καθώς και αναλογικών κυκλωμάτων όπως αισθητήρες εικόνας και μετατροπείς δεδομένων.

Η κατασκευή ενός κβαντικού υπολογιστή έχει χαρακτηριστεί ως ο «διαστημικός αγώνας του 21ου αιώνα» – μια δύσκολη και φιλόδοξη πρόκληση με τη δυνατότητα να προσφέρει επαναστατικά εργαλεία για την αντιμετώπιση κατά τα άλλα αδύνατων υπολογισμών, όπως ο σχεδιασμός σύνθετων φαρμάκων και προηγμένων υλικών, ή η ταχεία αναζήτηση τεράστιων, μη ταξινομημένων βάσεων δεδομένων.

«Συχνά σκεφτόμαστε την προσεδάφιση στη Σελήνη ως το μεγαλύτερο τεχνολογικό θαύμα της ανθρωπότητας», δήλωσε ο καθηγητής Dzurak. «Αλλά η αλήθεια είναι ότι τα σημερινά τσιπ CMOS - με δισεκατομμύρια λειτουργικές συσκευές ενσωματωμένες μεταξύ τους για να λειτουργούν σαν συμφωνία, και τις οποίες κουβαλάτε στην τσέπη σας - πρόκειται για ένα εκπληκτικό τεχνικό επίτευγμα που έφερε επανάσταση στη σύγχρονη ζωή. Η κβαντική υπολογιστική θα είναι εξίσου εκπληκτική».

Πηγή: Νέα μέθοδος ελέγχου περιστροφής φέρνει πιο κοντά τα κβαντικά τσιπ δισεκατομμυρίων qubit | Newsroom UNSW

[/ et_pb_text] [/ et_pb_column] [/ et_pb_row] [/ et_pb_section]