Η ανακάλυψη προηγουμένως άγνωστου αποτελέσματος καθιστά δυνατό τον συμπαγή, εξαιρετικά γρήγορο έλεγχο των qubits περιστροφής.

Απεικόνιση που δείχνει πώς πολλά qubits μπορούν να ελέγχονται χρησιμοποιώντας τη νέα διαδικασία «εσωτερικής περιστροφικής τροχιάς EDSR». Εικόνα: Tony Melov.

UNSW Σίδνεϊ Οι μηχανικοί ανακάλυψαν έναν νέο τρόπο ελέγχου με ακρίβεια μεμονωμένων ηλεκτρονίων που βρίσκονται σε κβαντικές κουκκίδες που τρέχουν λογικές πύλες. Ο νέος μηχανισμός είναι επίσης λιγότερο ογκώδης και απαιτεί λιγότερα εξαρτήματα, τα οποία θα μπορούσαν να αποδειχθούν απαραίτητα για να γίνουν πραγματικότητα οι κβαντικοί υπολογιστές πυριτίου μεγάλης κλίμακας.

Η τρελή ανακάλυψη, που έγινε από μηχανικούς στην εκκίνηση των κβαντικών υπολογιστών Diraq και UNSW, αναφέρεται λεπτομερώς στο περιοδικό Φύση Νανοτεχνολογία.

«Αυτό ήταν ένα εντελώς νέο αποτέλεσμα που δεν είχαμε δει ποτέ πριν, το οποίο δεν καταλάβαμε καλά στην αρχή», δήλωσε ο επικεφαλής συγγραφέας Δρ Will Gilbert, μηχανικός κβαντικών επεξεργαστών στο Diraq, μια spin-off εταιρεία UNSW με έδρα την πανεπιστημιούπολη του Kensington. . «Αλλά έγινε γρήγορα σαφές ότι αυτός ήταν ένας ισχυρός νέος τρόπος ελέγχου των περιστροφών 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, α κβαντική bit (ή qubit) υπάρχει και στις δύο αυτές καταστάσεις ταυτόχρονα – μια συνθήκη γνωστή ως «υπέρθεση». Αυτό επιτρέπει μια πληθώρα υπολογιστικών στρατηγικών –κάποιες εκθετικά ταχύτερες, κάποιες λειτουργούν ταυτόχρονα– που είναι πέρα ​​από τους κλασικούς υπολογιστές. Τα ίδια τα qubits αποτελούνται από «κβαντικές κουκκίδες» – μικροσκοπικές νανοσυσκευές που μπορούν να παγιδεύσουν ένα ή μερικά ηλεκτρόνια. Ο ακριβής έλεγχος των ηλεκτρονίων είναι απαραίτητος για να πραγματοποιηθεί ο υπολογισμός.

Χρησιμοποιώντας ηλεκτρικά και όχι μαγνητικά πεδία

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

«Προσπαθούσα να λειτουργήσω με πραγματικά ακρίβεια μια πύλη δύο qubit, επαναλαμβάνοντας μέσα από πολλές διαφορετικές συσκευές, ελαφρώς διαφορετικές γεωμετρίες, διαφορετικές στοίβες υλικών και διαφορετικές τεχνικές ελέγχου», είπε ο Δρ Tanttu, ο οποίος είναι επίσης μηχανικός μετρήσεων στο Diraq. «Τότε εμφανίστηκε αυτή η παράξενη κορυφή. Φαινόταν ότι ο ρυθμός περιστροφής ενός από τα qubits επιταχύνθηκε, κάτι που δεν είχα δει ποτέ σε τέσσερα χρόνια εκτέλεσης αυτών των πειραμάτων».

Διαβάστε περισσότερα: Για το μεγαλύτερο χρονικό διάστημα: οι μηχανικοί κβαντικών υπολογιστών θέτουν νέα πρότυπα στην απόδοση των τσιπ πυριτίου

Αυτό που είχε ανακαλύψει, οι μηχανικοί αργότερα συνειδητοποίησαν, ήταν ένας νέος τρόπος χειρισμού της κβαντικής κατάστασης ενός μόνο qubit χρησιμοποιώντας ηλεκτρικά πεδία, αντί των μαγνητικών πεδίων που χρησιμοποιούσαν προηγουμένως. Από τότε που έγινε η ανακάλυψη το 2020, οι μηχανικοί τελειοποιούν την τεχνική – η οποία έχει γίνει ένα άλλο εργαλείο στο οπλοστάσιό τους για να εκπληρώσει τη φιλοδοξία του Diraq να δημιουργήσει δισεκατομμύρια qubits 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», είπε ο Δρ Gilbert. «Καταργεί την απαίτηση τοποθέτησης επιπλέον δομών γύρω από κάθε πύλη. Έτσι, υπάρχει λιγότερη ακαταστασία».

Ο έλεγχος μεμονωμένων ηλεκτρονίων χωρίς να ενοχλεί άλλα κοντά είναι απαραίτητος για την κβαντική επεξεργασία πληροφοριών σε πυρίτιο. Υπάρχουν δύο καθιερωμένες μέθοδοι: συντονισμός σπιν ηλεκτρονίων (ESR) με χρήση κεραίας μικροκυμάτων στο τσιπ και συντονισμός ηλεκτρικού διπολικού σπιν (EDSR), ο οποίος βασίζεται σε ένα επαγόμενο μαγνητικό πεδίο βαθμίδωσης. Η τεχνική που ανακαλύφθηκε πρόσφατα είναι γνωστή ως «intrinsic spin-orbit EDSR».

«Κανονικά, σχεδιάζουμε τις κεραίες μικροκυμάτων μας για να παρέχουν αμιγώς μαγνητικά πεδία», είπε ο Δρ Tanttu. «Αλλά αυτός ο συγκεκριμένος σχεδιασμός κεραίας δημιούργησε περισσότερο ηλεκτρικό πεδίο από ό,τι θέλαμε – αλλά αυτό αποδείχθηκε τυχερό, επειδή ανακαλύψαμε ένα νέο εφέ που μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε για να χειριστούμε τα qubits. Αυτό είναι ηρεμία για σένα».

Βασιζόμαστε στο να κάνουμε πραγματικότητα τον κβαντικό υπολογισμό σε πυρίτιο

"Αυτό είναι ένα στολίδι ενός νέου μηχανισμού, ο οποίος απλώς προσθέτει στο θησαυροφυλάκιο της αποκλειστικής τεχνολογίας που έχουμε αναπτύξει τα τελευταία 20 χρόνια έρευνας", είπε. Καθηγητής Andrew Dzurak, Καθηγητής Scientia στην Κβαντική Μηχανική στο UNSW και Διευθύνων Σύμβουλος και ιδρυτής της Diraq. Ο καθηγητής Dzurak οδήγησε την ομάδα που κατασκεύασε το πρώτη κβαντική λογική πύλη σε πυρίτιο στο 2015.

«Βασίζεται στη δουλειά μας για να κάνουμε πραγματικότητα τον κβαντικό υπολογισμό σε πυρίτιο, βασιζόμενοι ουσιαστικά στην ίδια τεχνολογία εξαρτημάτων ημιαγωγών με τα υπάρχοντα τσιπ υπολογιστών, αντί να βασιζόμαστε σε εξωτικά υλικά.

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

«Δεδομένου ότι βασίζεται στην ίδια τεχνολογία CMOS με τη σημερινή βιομηχανία υπολογιστών, η προσέγγισή μας θα καταστήσει ευκολότερη και ταχύτερη την επέκταση για εμπορική παραγωγή και την επίτευξη του στόχου μας να κατασκευάσουμε δισεκατομμύρια qubits σε ένα μόνο τσιπ».

Το CMOS (ή συμπληρωματικός ημιαγωγός οξειδίου μετάλλου, προφέρεται «see-moss») είναι η διαδικασία κατασκευής στην καρδιά των σύγχρονων υπολογιστών. Χρησιμοποιείται για την κατασκευή όλων των ειδών 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 ονομαστεί «διαστημική κούρσα 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 πολύπλοκων φαρμάκων και προηγμένων υλικών ή η ταχεία αναζήτηση τεράστιων, αταξινόμητων βάσεων δεδομένων.

«Συχνά σκεφτόμαστε την προσγείωση στη Σελήνη ως το μεγαλύτερο τεχνολογικό θαύμα της ανθρωπότητας», είπε 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 που έχετε στην τσέπη σας – είναι ένα εκπληκτικό τεχνικό επίτευγμα και ένα που έφερε επανάσταση στη σύγχρονη ζωή. Οι κβαντικοί υπολογιστές θα είναι εξίσου εκπληκτικοί».

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

Μεταφράζω "