Australiska ingenjörer har upptäckt ett nytt sätt att exakt kontrollera enskilda elektroner inbäddade i kvantprickar som driver logiska grindar. Dessutom är den nya mekanismen mindre skrymmande och kräver färre delar, vilket kan visa sig vara avgörande för att göra storskaliga kvantdatorer av kisel till verklighet.
Den otroliga upptäckten, gjord av ingenjörer vid kvantberäkningsstartföretaget Diraq och UNSW Sydney, beskrivs i tidskriften Natur nanoteknik.
"Detta var en helt ny effekt som vi aldrig sett förut, som vi inte riktigt förstod till en början", säger huvudförfattaren Dr. Will Gilbert, kvantprocessoringenjör på Diraq, ett UNSW-spin-off-företag baserat i Sydney. campus. "Men det blev snabbt klart att detta var ett kraftfullt nytt sätt att kontrollera snurr i en kvantprick. Och det var superspännande.”
Logiska grindar är den grundläggande byggstenen i all beräkning; de tillåter "bitar" - eller binära siffror (0:or och 1:or) - att arbeta tillsammans för att bearbeta information. Men en kvantbit (eller qubit) existerar i båda dessa tillstånd samtidigt, ett tillstånd som kallas en "superposition". Detta tillåter en mängd beräkningsstrategier - vissa exponentiellt snabbare, andra fungerar samtidigt - som är bortom klassiska datorer. Qubits själva består av "kvantprickar,” små nanoenheter som kan fånga en eller några elektroner. Exakt kontroll av elektronerna är nödvändig för att beräkning ska ske.
Diraqs ingenjörer har upptäckt ett nytt sätt att exakt kontrollera enstaka elektroner inbäddade i kvantprickar som driver logiska grindar, vilket för realiteten att uppnå miljarder kvantchips närmare. Dessutom är den nya mekanismen mindre skrymmande och kräver färre delar, vilket kan visa sig vara avgörande för att göra storskaliga kvantdatorer av kisel till verklighet. Kredit: Diraq
Använder elektriska snarare än magnetiska fält
När Dr. Tuomo Tanttu experimenterade med olika geometriska kombinationer av enheter bara miljarddels meter stora som kontrollerar kvantprickar, tillsammans med olika typer av små magneter och antenner som driver deras verksamhet, snubblade Dr. Tuomo Tanttu över en märklig effekt.
"Jag försökte verkligen manövrera en två-qubit-grind, itererade genom många olika enheter, lite olika geometrier, olika materialstaplar och olika kontrolltekniker", minns Dr Tanttu, en mätingenjör på Diraq. ”Då dök den här konstiga toppen upp. Det såg ut som att rotationshastigheten för en av qubitarna ökade, vilket jag aldrig hade sett på fyra år när jag körde dessa experiment.”
Det han hade upptäckt, insåg ingenjörerna senare, var ett nytt sätt att manipulera kvanttillståndet hos en enda kvantbit genom att använda elektriska fält, snarare än de magnetiska fält de hade använt tidigare. Sedan upptäckten gjordes 2020 har ingenjörerna fulländat tekniken – som har blivit ytterligare ett verktyg i deras arsenal för att uppfylla Diraqs ambition att bygga miljarder qubits på ett enda chip.
Konstnärskoncept av en enskild qubit som hålls inom en kvantpunktsväng som svar på en mikrovågssignal. Kredit: Tony Melov
"Det här är ett nytt sätt att manipulera qubits, och det är mindre skrymmande att bygga - du behöver inte tillverka koboltmikromagneter eller en antenn precis bredvid qubitarna för att generera kontrolleffekten," sa Gilbert. "Det tar bort kravet på att placera extra strukturer runt varje grind. Så det är mindre skräp.”
Att kontrollera enstaka elektroner utan att störa andra i närheten är väsentligt för bearbetning av kvantinformation i kisel. Det finns två etablerade metoder: "elektronspinresonans” (ESR) med användning av en mikrovågsantenn på chip; och elektrisk dipolspinresonans (EDSR), som förlitar sig på en inducerad gradient Magnetfältet. Den nyupptäckta tekniken är känd som "intrinsic spin-orbit EDSR."
"Normalt designar vi våra mikrovågsantenner för att leverera rent magnetiska fält", säger Dr Tanttu. "Men den här speciella antenndesignen genererade mer av ett elektriskt fält än vi ville ha - och det visade sig vara tur, eftersom vi upptäckte en ny effekt som vi kan använda för att manipulera qubits. Det är serendipity för dig.”
Fågelperspektiv av ett av Diraqs labb i Sydney, Australien. Kredit: Shaun Dougherty
Discovery för kiselkvantberäkning närmare
"Detta är en pärla av ny mekanism, som bara lägger till den proprietära teknik som vi har utvecklat under de senaste 20 åren av forskning", säger professor Andrew Dzurak, VD och grundare av Diraq, och professor i kvantteknik vid UNSW , som ledde teamet som byggde den första kvantlogikporten i kisel 2015.
"Det bygger på vårt arbete för att göra kvantberäkning i kisel till verklighet, baserad på i huvudsak samma halvledarkomponentteknologi som befintliga datorchips, snarare än att förlita sig på exotiska material," tillade han. "Eftersom den är baserad på samma CMOS-teknik som dagens datorindustri kommer vårt tillvägagångssätt att göra det enklare och snabbare att skala upp för kommersiell produktion och uppnå vårt mål att tillverka miljarder qubits på en enda chip. "
CMOS (eller komplementär metall-oxid-halvledare, uttalas "se-mossa") är tillverkningsprocessen i hjärtat av moderna datorer. Den används för att tillverka alla typer av integrerade kretskomponenter - inklusive mikroprocessorer, mikrokontroller, minneschips och andra digitala logiska kretsar, såväl som analoga kretsar som bildsensorer och dataomvandlare.
Illustration av en enda qubit när ir börjar accelerera som svar på en mikrovågssignal, och elektronen börjar skramla inom kvantpunkten. Kredit: Tony Melov
Att bygga en kvantdator har kallats "det 21:a århundradets rymdkapplöpning" - en svår och ambitiös utmaning med potential att leverera revolutionerande verktyg för att hantera annars omöjliga beräkningar, som design av komplexa droger och avancerade material, eller snabb sökning av massiva, osorterade databaser.
"Vi tänker ofta på att landa på månen som mänsklighetens största tekniska under", sa Dzurak. "Men sanningen är att dagens CMOS-chips – med miljarder driftenheter integrerade för att fungera som en symfoni, och som du bär i fickan – det är en häpnadsväckande teknisk prestation och en som har revolutionerat det moderna livet. Quantum computing kommer att vara lika häpnadsväckande."
Källa: Ny spinnkontrollmetod för miljarder qubit kvantchips närmare
