Upptäckten av tidigare okänd effekt gör kompakt, ultrasnabb kontroll av spin-qubits möjlig.
Illustration som visar hur flera qubits kan styras med den nya "intrinsic spin-orbit EDSR"-processen. Bild: Tony Melov.
UNSW Sydney ingenjörer har upptäckt ett nytt sätt att exakt kontrollera enskilda elektroner inbäddade i kvantprickar som driver logiska grindar. Den nya mekanismen är också 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 uppstarten av kvantdatorer Diraq och UNSW, beskrivs i journalen Natur Nanoteknik.
"Det här var en helt ny effekt som vi aldrig hade sett förut, som vi inte riktigt förstod till en början", säger huvudförfattaren Dr Will Gilbert, en kvantprocessoringenjör på Diraq, ett UNSW spin-off-företag baserat på dess Kensington 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 quantum bit (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 "quantum dots" – små nanoenheter som kan fånga en eller några elektroner. Exakt kontroll av elektronerna är nödvändig för att beräkning ska ske.
Använder elektriska snarare än magnetiska fält
Samtidigt som man experimenterar med olika geometriska kombinationer av enheter bara miljarddels meter stora som styr kvantprickar, tillsammans med olika typer av små magneter och antenner som driver deras verksamhet, Dr Tuomo Tanttu från UNSW Engineering snubblade över en konstig effekt.
"Jag försökte verkligen köra en två-qubit-grind, itererade genom många olika enheter, lite olika geometrier, olika materialstaplar och olika kontrolltekniker", säger Dr Tanttu, som också är 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.”
Läs mer: Under den längsta tiden: kvantberäkningsingenjörer sätter ny standard för prestanda för kiselchips
Vad han hade upptäckt, insåg ingenjörerna senare, var ett nytt sätt att manipulera kvanttillståndet för en enda qubit genom att använda elektriska fält, snarare än de magnetiska fälten 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.
"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 qubits för att generera kontrolleffekten", säger Dr 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 chipet, och elektrisk dipolspinresonans (EDSR), som är beroende av ett inducerat magnetfält med gradient. 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 - men det visade sig vara tur, eftersom vi upptäckte en ny effekt som vi kan använda för att manipulera qubits. Det är serendipity för dig.”
Bygger på att göra kvantberäkning i kisel till verklighet
"Detta är en pärla av en ny mekanism, som bara bidrar till den proprietära teknik som vi har utvecklat under de senaste 20 åren av forskning," sa Professor Andrew Dzurak, Scientia-professor i kvantteknik vid UNSW och VD och grundare av Diraq. Professor Dzurak ledde laget som byggde första kvantlogikporten i kisel i 2015.
"Det bygger på vårt arbete med att göra kvantberäkning i kisel till verklighet, baserad på i huvudsak samma halvledarkomponentteknologi som befintliga datorchips, snarare än att förlita sig på exotiska material.
Forskargruppen: Professor Andrew Dzurak, Dr Will Gilbert och Dr Tuomo Tanttu. Foto: Grant Turner.
"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 ett 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.
Att bygga en kvantdator har kallats "det 21:a århundradets rymdkapplöpning" – en svår och ambitiös utmaning med potential att leverera revolutionerande verktyg för att tackla annars omöjliga beräkningar, såsom 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", säger professor Dzurak. "Men sanningen är att dagens CMOS-chips – med miljarder driftenheter integrerade för att fungera som en symfoni, och som du har 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 spinkontrollmetod för miljarder qubit kvantchips närmare | UNSW Newsroom
