I ett steg framåt för kvantberäkning i kisel - samma material som används i dagens datorer - kopplade forskare framgångsrikt en enda elektrons spinn, representeras av pricken till vänster, att tända, representeras som en våg som passerar över elektronen, som är fångad i en dubbelhålad kiselkammare känd som en kvantprick. Målet är att använda ljus för att transportera kvantinformation till andra platser på ett futuristiskt kvantberäkningschip. Kredit:Emily Edwards, University of Maryland.
En kiselbaserad kvantberäkningsenhet kan vara närmare än någonsin på grund av en ny experimentell enhet som visar potentialen att använda ljus som en budbärare för att koppla samman kvantbitar av information – så kallade qubits – som inte ligger omedelbart intill varandra. Bragden är ett steg mot att göra kvantberäkningsenheter av kisel, samma material som används i dagens smartphones och datorer.
Forskningen, publiceras i tidskriften Natur , leddes av forskare vid Princeton University i samarbete med kollegor vid universitetet i Konstanz i Tyskland och Joint Quantum Institute, som är ett partnerskap mellan University of Maryland och National Institute of Standards and Technology.
Teamet skapade qubits från enstaka elektroner fångade i kiselkammare som kallas dubbla kvantprickar. Genom att applicera ett magnetfält, de visade att de kunde överföra kvantinformation, kodad i elektronegenskapen känd som spin, till en partikel av ljus, eller foton, öppnar möjligheten att överföra kvantinformationen.
"Detta är ett breakout-år för kiselspinn-qubits, sa Jason Petta, professor i fysik vid Princeton. "Detta arbete utökar våra ansträngningar i en helt ny riktning, eftersom det tar dig bort från att leva i ett tvådimensionellt landskap, där du bara kan göra närmaste granne koppling, och in i en värld av allt-till-alla-anslutning, ", sa han. "Det skapar flexibilitet i hur vi gör våra enheter."
Quantum-enheter erbjuder beräkningsmöjligheter som inte är möjliga med dagens datorer, som att faktorisera stora tal och simulera kemiska reaktioner. Till skillnad från vanliga datorer, enheterna fungerar enligt de kvantmekaniska lagar som styr mycket små strukturer som enstaka atomer och subatomära partiklar. Stora teknikföretag bygger redan kvantdatorer baserade på supraledande qubits och andra tillvägagångssätt.
"Detta resultat ger en väg till uppskalning till mer komplexa system enligt receptet från halvledarindustrin, sade Guido Burkard, professor i fysik vid universitetet i Konstanz, som gav vägledning om teoretiska aspekter i samarbete med Monica Benito, en postdoktor. "Det är visionen, och det här är ett mycket viktigt steg."
Jacob Taylor, en medlem av teamet och en kollega vid Joint Quantum Institute, liknade ljuset vid en tråd som kan koppla ihop spinnqubits. "Om du vill göra en kvantberäkningsenhet med hjälp av dessa fångade elektroner, hur skickar man information runt på chippet? Du behöver kvantberäkningsekvivalenten till en tråd."
Kiselspinn-qubits är mer motståndskraftiga än konkurrerande qubit-tekniker mot yttre störningar som värme och vibrationer, som stör i sig bräckliga kvanttillstånd. Den enkla handlingen att läsa ut resultaten av en kvantberäkning kan förstöra kvanttillståndet, ett fenomen som kallas "kvantrivning".
Forskarna har en teori om att det nuvarande tillvägagångssättet kan undvika detta problem eftersom det använder ljus för att undersöka kvantsystemets tillstånd. Ljus används redan som budbärare för att föra kabel- och internetsignaler in i hemmen via fiberoptiska kablar, och det används också för att ansluta supraledande qubit-system, men detta är en av de första applikationerna i kiselspinn-qubits.
I dessa qubits, information representeras av elektronens spinn, som kan peka uppåt eller nedåt. Till exempel, ett snurr som pekar uppåt kan representera en 0 och ett snurr som pekar nedåt kan representera en 1. Konventionella datorer, i kontrast, använda elektronens laddning för att koda information.
Att koppla ihop kiselbaserade qubits så att de kan prata med varandra utan att förstöra deras information har varit en utmaning för fältet. Även om det Princeton-ledda teamet framgångsrikt kopplade två angränsande elektronsnurr åtskilda av endast 100 nanometer (100 miljarddelar av en meter), som publicerades i Science i december 2017, koppla spin till ljus, som skulle möjliggöra långdistans spin-spin-koppling, har varit en utmaning fram till nu.
I den aktuella studien, teamet löste problemet med långdistanskommunikation genom att koppla qubitens information – det vill säga, om spinnet pekar uppåt eller nedåt - till en partikel av ljus, eller foton, som är fångad ovanför qubiten i kammaren. Fotonens vågliknande natur gör att den kan svänga ovanför qubiten som ett böljande moln.
Doktorand Xiao Mi och kollegor kom på hur man länkar informationen om spinns riktning till fotonen, så att ljuset kan ta upp ett meddelande, som "snurrpunkter uppåt, " från qubiten. "Den starka kopplingen av ett enda snurr till en enda foton är en utomordentligt svår uppgift som liknar en perfekt koreograferad dans, " Sa Mi. "Interaktionen mellan deltagarna – spin, laddning och foton – måste vara exakt konstruerade och skyddade från omgivningsljud, vilket inte har varit möjligt förrän nu." Teamet på Princeton inkluderade postdoktor Stefan Putz och doktorand David Zajac.
Framgången möjliggjordes genom att utnyttja ljusets elektromagnetiska vågegenskaper. Ljus består av oscillerande elektriska och magnetiska fält, och forskarna lyckades koppla ljusets elektriska fält till elektronens spinntillstånd.
Forskarna gjorde det genom att bygga på lagets upptäckt publicerad i december 2016 i tidskriften Science som visade koppling mellan en enstaka elektronladdning och en enda partikel av ljus.
För att få qubiten att överföra dess spinntillstånd till fotonen, forskarna placerar elektronspinnet i en stor magnetfältsgradient så att elektronsnurret har en annan orientering beroende på vilken sida av kvantpunkten den upptar. Magnetfältsgradienten, i kombination med den laddningskoppling som gruppen demonstrerade 2016, kopplar qubitens spinnriktning till fotonens elektriska fält.
Helst fotonen kommer sedan att leverera meddelandet till en annan qubit som finns i kammaren. En annan möjlighet är att fotonens meddelande kan föras via ledningar till en enhet som läser upp meddelandet. Forskarna arbetar med dessa nästa steg i processen.
Det krävs fortfarande flera steg innan man gör en kiselbaserad kvantdator, sa Petta. Dagliga datorer bearbetar miljarder bitar, och även om qubits är mer beräkningskraftiga, de flesta experter är överens om att 50 eller fler qubits behövs för att uppnå kvantöverlägsenhet, där kvantdatorer skulle börja överglänsa sina klassiska motsvarigheter.
Daniel Loss, en professor i fysik vid universitetet i Basel i Schweiz som är bekant med arbetet men inte är direkt involverad, sa:"Professor Pettas och medarbetares arbete är ett av de mest spännande genombrotten inom spin qubits de senaste åren. Jag har följt Jasons arbete i många år och jag är djupt imponerad av de standarder han har satt för fält, och återigen så med det här senaste experimentet att dyka upp i Natur . Det är en stor milstolpe i strävan efter att bygga en verkligt kraftfull kvantdator eftersom den öppnar en väg för att fylla hundratals miljoner qubits på ett kvadrattumschip. Det här är mycket spännande utvecklingar för fältet ¬— och utanför."
