Den sex qubit kvantprocessor som beskrivs i den här artikeln. Qubits skapas genom att ställa in spänningen på de röda, blå och gröna ledningarna på chipet. Strukturerna som kallas SD1 och SD2 är extremt känsliga elektriska fältsensorer, som till och med kan detektera laddningen av en enskild elektron. Dessa sensorer tillsammans med avancerade kontrollscheman gjorde det möjligt för forskarna att placera individuella elektroner på platserna märkta (1)-(6), som sedan kördes som qubits. Kredit:QuTech
Forskare vid QuTech – ett samarbete mellan Delft University of Technology och TNO – har konstruerat ett rekordantal av sex, kiselbaserade, spin qubits i en helt interoperabel array. Viktigt är att qubits kan drivas med en låg felfrekvens som uppnås med en ny chipdesign, en automatiserad kalibreringsprocedur och nya metoder för qubit-initiering och avläsning. Dessa framsteg kommer att bidra till en skalbar kvantdator baserad på kisel. Resultaten publiceras i Nature i dag.
Olika material kan användas för att producera qubits, kvantanalogen till biten i den klassiska datorn, men ingen vet vilket material som kommer att visa sig vara bäst för att bygga en storskalig kvantdator. Hittills har det bara varit mindre demonstrationer av kiselkvantchips med högkvalitativa qubit-operationer. Nu har forskare från QuTech, ledd av professor Lieven Vandersypen, tagit fram ett sex qubit-chip i kisel som arbetar med låga felfrekvenser. Detta är ett stort steg mot en feltolerant kvantdator som använder kisel.
För att göra qubits placeras individuella elektroner i en linjär uppsättning av sex "kvantprickar" med ett avstånd på 90 nanometer från varandra. Uppsättningen av kvantprickar är gjord i ett kiselchip med strukturer som liknar transistorn - en vanlig komponent i varje datorchip. En kvantmekanisk egenskap som kallas spin används för att definiera en qubit med dess orientering som definierar det logiska tillståndet 0 eller 1. Teamet använde finjusterad mikrovågsstrålning, magnetfält och elektriska potentialer för att kontrollera och mäta spinn hos enskilda elektroner och få dem att interagera med varandra.
"Kvantberäkningsutmaningen idag består av två delar", förklarade första författaren Stephan Philips. "Att utveckla qubits som är av tillräckligt bra kvalitet, och utveckla en arkitektur som gör att man kan bygga stora system av qubits. Vårt arbete passar in i båda kategorierna. Och eftersom det övergripande målet med att bygga en kvantdator är en enorm ansträngning, tror jag att det är rättvist att säga att vi har gjort ett bidrag i rätt riktning."
Elektronens spinn är en känslig egenskap. Små förändringar i den elektromagnetiska miljön gör att spinns riktning fluktuerar, och detta ökar felfrekvensen. QuTech-teamet byggde på sin tidigare erfarenhet av att konstruera kvantprickar med nya metoder för att förbereda, kontrollera och läsa elektronernas spintillstånd. Genom att använda detta nya arrangemang av qubits kunde de skapa logiska grindar och trassla in system med två eller tre elektroner, på begäran.
Kvantmatriser med över 50 qubits har producerats med supraledande qubits. Det är dock den globala tillgängligheten av kiselteknisk infrastruktur som ger kiselkvantenheter löftet om enklare migrering från forskning till industri. Kisel medför vissa tekniska utmaningar, och fram till detta arbete från QuTech-teamet kunde bara arrayer på upp till tre qubits konstrueras i kisel utan att offra kvaliteten.
"Det här dokumentet visar att med noggrann ingenjörskonst är det möjligt att öka antalet kiselspinn-qubits samtidigt som man håller samma precision som för enstaka qubits. Nyckelbyggstenen som utvecklats i denna forskning skulle kunna användas för att lägga till ännu fler qubits i nästa iterationer av studie", sa medförfattaren Dr. Mateusz Madzik.
"I den här forskningen trycker vi på gränsen för antalet qubits i kisel, och uppnår hög initialiseringsfidelitet, hög avläsningsfidelitet, hög single-qubit gate fidelities och hög två-qubit state fidelities", säger prof. Vandersypen. "Vad som verkligen sticker ut är att vi demonstrerar alla dessa egenskaper tillsammans i ett enda experiment på ett rekordantal qubits." + Utforska vidare
