Forskare vid Princeton University har tagit ett viktigt steg framåt i strävan att bygga en kvantdator med hjälp av kiselkomponenter, som uppskattas för sin låga kostnad och mångsidighet jämfört med hårdvaran i dagens kvantdatorer. Teamet visade att en kisel-spin-kvantbit (visas i rutan) kan kommunicera med en annan kvantbit som ligger ett betydande avstånd därifrån på ett datorchip. Prestationen kan möjliggöra anslutningar mellan flera kvantbitar för att utföra komplexa beräkningar. Upphovsman:Felix Borjans, Princeton Universitet
Föreställ dig en värld där människor bara kunde prata med sin granne, och meddelanden måste överföras från hus till hus för att nå avlägsna destinationer.
Tills nu, detta har varit situationen för bitarna av hårdvara som utgör en kvantdator av kisel, en typ av kvantdator med potential att bli billigare och mer mångsidig än dagens versioner.
Nu har ett team baserat på Princeton University övervunnit denna begränsning och visat att två kvantberäkningskomponenter, känd som kisel "spin" qubits, kan interagera även när de är relativt långt ifrån varandra på ett datorchip. Studien publicerades i tidskriften Natur .
"Möjligheten att överföra meddelanden över detta avstånd på ett kiselchip låser upp nya möjligheter för vår kvantmaskinvara, "sa Jason Petta, Eugene Higgins professor i fysik vid Princeton och ledare för studien. "Det slutliga målet är att ha flera kvantbitar arrangerade i ett tvådimensionellt rutnät som kan utföra ännu mer komplexa beräkningar. Studien ska på lång sikt hjälpa till att förbättra kommunikationen av qubits på ett chip såväl som från ett chip till ett annat. "
Kvantdatorer har potential att ta itu med utmaningar bortom möjligheterna hos vardagliga datorer, som att ta med stora siffror. En kvantbit, eller qubit, kan behandla mycket mer information än en vanlig datorbit eftersom, medan varje klassisk datorbit kan ha ett värde på 0 eller 1, en kvantbit kan representera ett intervall av värden mellan 0 och 1 samtidigt.
För att förverkliga quantum computings löfte, dessa futuristiska datorer kommer att kräva tiotusentals qubits som kan kommunicera med varandra. Dagens prototyp kvantdatorer från Google, IBM och andra företag innehåller tiotals qubits gjorda av en teknik som innefattar supraledande kretsar, men många teknologer ser kiselbaserade qubits som mer lovande i längden.
Silicon spin qubits har flera fördelar jämfört med superledande qubits. Kisel -spin -qubiterna behåller sitt kvanttillstånd längre än konkurrerande qubit -teknik. Den utbredda användningen av kisel för vardagliga datorer innebär att kiselbaserade qubits kan tillverkas till låg kostnad.
Utmaningen härrör delvis från det faktum att kiselspinn qubits är tillverkade av enstaka elektroner och är extremt små.
"Ledningarna eller" sammankopplingar "mellan flera qubits är den största utmaningen mot en storskalig kvantdator, "sa James Clarke, chef för quantum hardware på Intel, vars team bygger kisel -qubits med hjälp av Intels avancerade tillverkningslinje, och som inte var inblandad i studien. "Jason Pettas team har gjort ett stort arbete för att bevisa att spin qubits kan kopplas på långa avstånd."
För att åstadkomma detta, Princeton -teamet kopplade qubitsna via en "tråd" som bär ljus på ett sätt som är analogt med de fiberoptiska trådarna som levererar internetsignaler till hem. I detta fall, dock, tråden är faktiskt en smal hålighet som innehåller en enda ljuspartikel, eller foton, som tar upp meddelandet från en qubit och överför det till nästa qubit.
De två qubitsna var belägna ungefär en halv centimeter, eller ungefär längden på en riskorn, isär. För att sätta det i perspektiv, om varje qubit hade storleken på ett hus, qubit skulle kunna skicka ett meddelande till en annan qubit som ligger 750 miles bort.
Det viktigaste steget framåt var att hitta ett sätt att få qubiterna och fotonen att tala samma språk genom att ställa in alla tre för att vibrera med samma frekvens. Teamet lyckades ställa in båda qubits oberoende av varandra samtidigt som de fortfarande kopplade dem till fotonen. Tidigare tillät enhetens arkitektur koppling av endast en qubit till fotonet åt gången.
"Du måste balansera qubit -energierna på båda sidor av chipet med fotononenergin för att få alla tre elementen att tala med varandra, "sa Felix Borjans, en doktorand och första författare på studien. "Detta var den riktigt utmanande delen av arbetet."
Varje qubit består av en enda elektron fångad i en liten kammare som kallas en dubbel kvantpunkt. Elektroner har en egenskap som kallas spin, som kan peka upp eller ner på ett sätt som är analogt med en kompassnål som pekar norr eller söder. Genom att zappa elektronen med ett mikrovågsfält, forskarna kan vända upp eller ner för att tilldela qubiten ett kvanttillstånd på 1 eller 0.
"Detta är den första demonstrationen av intrasslade elektronspinn i kisel åtskilda av avstånd som är mycket större än enheterna som rymmer dessa snurr, "sade Thaddeus Ladd, senior forskare vid HRL Laboratories och en samarbetspartner på projektet. "Inte för så länge sedan, det rådde tvivel om detta var möjligt, på grund av motstridiga krav för att koppla snurr till mikrovågor och undvika effekterna av bullriga laddningar som rör sig i kiselbaserade enheter. Detta är ett viktigt bevis på möjligheten för kisel-qubits eftersom det ger stor flexibilitet i hur man kopplar dessa qubits och hur man lägger dem geometriskt i framtida kiselbaserade "kvantmikrochip". "
Kommunikationen mellan två avlägsna kiselbaserade qubits-enheter bygger på tidigare arbete från Petta-forskargruppen. I en tidning från 2010 i tidningen Vetenskap , laget visade att det är möjligt att fånga enstaka elektroner i kvantbrunnar. I journalen Natur under 2012, laget rapporterade överföringen av kvantinformation från elektronspinn i nanotrådar till mikrovågsfrekventa fotoner, och 2016 i Vetenskap de demonstrerade förmågan att överföra information från en kiselbaserad laddningskvbit till en foton. De demonstrerade närmaste grannhandel med information i qubits 2017 Vetenskap . Och laget visade 2018 in Natur att en kiselspinnkvit kan utbyta information med en foton.
Jelena Vuckovic, professor i elektroteknik och Jensen Huang -professor i globalt ledarskap vid Stanford University, som inte var inblandad i studien, kommenterade:"Demonstration av långdistansinteraktioner mellan qubits är avgörande för vidareutveckling av kvantteknik som modulära kvantdatorer och kvantnätverk. Detta spännande resultat från Jason Pettas team är en viktig milstolpe mot detta mål, eftersom det visar icke-lokal interaktion mellan två elektronspinn separerade med mer än 4 millimeter, förmedlas av en mikrovågsfoton. Dessutom, för att bygga denna kvantkrets, laget använde kisel och germanium - material som används hårt i halvledarindustrin. "
