[ad_1]
Naukowcy z Uniwersytetu w Bazylei i NCCR SPIN osiągnęli pierwszą kontrolowaną interakcję między dwoma dziurowymi kubitami spinowymi w konwencjonalnym tranzystorze krzemowym. Przełom otwiera możliwość integracji milionów takich kubitów na jednym chipie przy użyciu dojrzałych procesów produkcyjnych.
Wyścig o zbudowanie praktycznego komputera kwantowego jest w toku. Naukowcy na całym świecie pracują nad ogromną różnorodnością technologii kubitowych. Jak dotąd nie ma zgody co do tego, jaki typ kubitu jest najbardziej odpowiedni do maksymalizacji potencjału informatyki kwantowej.
Qubity są podstawą komputera kwantowego: obsługują przetwarzanie, przesyłanie i przechowywanie danych. Aby działać poprawnie, muszą zarówno niezawodnie przechowywać, jak i szybko przetwarzać informacje. Podstawą szybkiego przetwarzania informacji są stabilne i szybkie interakcje między dużą liczbą kubitów, których stany mogą być niezawodnie kontrolowane z zewnątrz.
Aby komputer kwantowy był praktyczny, na pojedynczym chipie muszą zmieścić się miliony kubitów. Najbardziej zaawansowane komputery kwantowe mają obecnie tylko kilkaset kubitów, co oznacza, że mogą wykonywać obliczenia, które są już możliwe (i często bardziej wydajne) na konwencjonalnych komputerach.
Elektrony i dziury
Aby rozwiązać problem układania i łączenia tysięcy kubitów, naukowcy z Uniwersytetu w Bazylei i NCCR SPIN polegają na typie kubitu, który wykorzystuje spin (wewnętrzny moment pędu) elektronu lub dziury. Dziura jest zasadniczo brakującym elektronem w półprzewodniku. Zarówno dziury, jak i elektrony posiadają spin, który może przyjmować jeden z dwóch stanów: w górę lub w dół, analogicznie do 0 i 1 w klasycznych bitach. W porównaniu do spinu elektronu, spin dziury ma tę zaletę, że może być całkowicie kontrolowany elektrycznie, bez potrzeby stosowania dodatkowych komponentów, takich jak mikromagnesy na chipie.
Już w 2022 roku fizycy z Bazylei byli w stanie wykazać, że spiny dziur w istniejącym urządzeniu elektronicznym mogą zostać uwięzione i wykorzystane jako kubity. Te „FinFET” (tranzystory polowe) są wbudowane w nowoczesne smartfony i są produkowane w powszechnych procesach przemysłowych. Teraz zespołowi kierowanemu przez dr Andreasa Kuhlmanna udało się po raz pierwszy osiągnąć kontrolowaną interakcję między dwoma kubitami w tym układzie.
Szybkie i precyzyjne kontrolowane spin-flip
Komputer kwantowy potrzebuje „bramek kwantowych” do wykonywania obliczeń. Są to operacje, które manipulują kubitami i łączą je ze sobą. Jak donoszą naukowcy w czasopiśmie Nature Physics, byli w stanie połączyć dwa kubity i doprowadzić do kontrolowanego odwrócenia jednego z ich spinów, w zależności od stanu spinu drugiego – znanego jako kontrolowane odwrócenie spinu. „Dziurawe spiny pozwalają nam tworzyć dwu-kubitowe bramki, które są zarówno szybkie, jak i bardzo wierne. Ta zasada umożliwia teraz również łączenie większej liczby par kubitów” – mówi Kuhlmann.
Sprzężenie dwóch kubitów spinowych opiera się na ich interakcji wymiany, która zachodzi między dwiema nierozróżnialnymi cząstkami, które oddziałują ze sobą elektrostatycznie. Co zaskakujące, energia wymiany dziur jest nie tylko kontrolowana elektrycznie, ale także silnie anizotropowa. Jest to konsekwencją sprzężenia spin-orbita, co oznacza, że na stan spinowy dziury wpływa jej ruch w przestrzeni.
Aby opisać tę obserwację w modelu, fizycy eksperymentalni i teoretyczni z Uniwersytetu w Bazylei i NCCR SPIN połączyli siły. „Anizotropia sprawia, że bramki dwukubitowe są możliwe bez zwykłego kompromisu między szybkością a wiernością” – podsumowuje dr Kuhlmann.
„Qubity oparte na spinach dziurowych nie tylko wykorzystują wypróbowaną i przetestowaną produkcję chipów krzemowych, ale są również wysoce skalowalne i okazały się szybkie i niezawodne w eksperymentach”. Badanie podkreśla, że podejście to ma duże szanse w wyścigu o opracowanie komputera kwantowego na dużą skalę.
[ad_2]