Kiselbaserad enhet under utveckling för användning i kvantdatorer. Grindelektroder som visas i blått, rött och grönt används för att definiera kvantpunktspotentialerna medan mikromagneten på toppen ger en magnetfältsgradient. Bilden togs med svepelektronmikroskopi och färgerna applicerades för klarhet. Kredit:Adam Mills, Princeton University
Forskning utförd av Princeton University-fysiker banar väg för användningen av kiselbaserad teknik i kvantberäkningar, särskilt som kvantbitar - kvantdatorernas grundläggande enheter. Denna forskning lovar att påskynda användningen av kiselteknologi som ett lönsamt alternativ till andra kvantberäkningstekniker, såsom supraledare eller fångade joner.
I forskning publicerad i tidskriften Science Advances , Princeton fysiker använde en två-qubit kisel kvantenhet för att uppnå en aldrig tidigare skådad nivå av trohet. Med över 99 procent är detta den högsta troheten som hittills uppnåtts för en två-qubit-grind i en halvledare och är i nivå med de bästa resultaten som uppnåtts av konkurrerande teknologier. Fidelity, som är ett mått på en qubits förmåga att utföra felfria operationer, är en nyckelfunktion i strävan efter att utveckla praktisk och effektiv kvantberäkning.
Forskare runt om i världen försöker ta reda på vilka tekniker - som supraledande qubits, fångade joner eller kisel spin qubits, till exempel - som bäst kan användas som de grundläggande enheterna för kvantberäkning. Och, lika viktigt, forskare undersöker vilka tekniker som kommer att ha förmågan att skala upp mest effektivt för kommersiellt bruk.
"Kiselspinn-qubits tar fart [på fältet]," säger Adam Mills, doktorand vid institutionen för fysik vid Princeton University och huvudförfattare till den nyligen publicerade studien. "Det ser ut som ett stort år för kisel totalt sett."
Genom att använda en kiselanordning som kallas en dubbel kvantpunkt, kunde Princeton-forskarna fånga två elektroner och tvinga dem att interagera. Spintillståndet för varje elektron kan användas som en qubit och interaktionen mellan elektronerna kan trassla in dessa qubits. Denna operation är avgörande för kvantberäkningar, och forskargruppen, ledd av Jason Petta, Eugene Higgins professor i fysik vid Princeton, kunde utföra denna insnärjande operation med en trohetsnivå som översteg 99,8 procent.
En qubit, i enklaste termer, är en kvantversion av en datorbit, som är den minsta dataenheten i en dator. Liksom sin klassiska motsvarighet är qubiten kodad med information som kan ha värdet av antingen ett eller noll. Men till skillnad från biten kan qubiten utnyttja begreppen kvantmekanik så att den kan utföra uppgifter som klassiska bitar inte kan.
"I en qubit kan du koda nollor och ettor, men du kan också ha superpositioner av dessa nollor och ettor", sa Mills. Detta betyder att varje qubit kan vara en nolla och en etta samtidigt. Det här konceptet, som kallas superposition, är en grundläggande egenskap hos kvantmekaniken och en som tillåter qubits att utföra operationer som verkar fantastiska och överjordiska. Rent praktiskt ger det kvantdatorn en större fördel jämfört med konventionella datorer genom att till exempel faktorisera mycket stora tal eller isolera den mest optimala lösningen på ett problem.
"Snurret" i spin-qubits är elektronens rörelsemängd. Det är en kvantegenskap som manifesterar sig som en liten magnetisk dipol som kan användas för att koda information. En klassisk analog är en kompassnål, som har nord- och sydpoler, och som roterar för att passa in i jordens magnetfält. Kvantmekaniskt kan elektronens spinn anpassas till det magnetiska fältet som genereras i labbet (spin-up), eller vara orienterad antiparallellt med fältet (spin-down), eller vara i en kvantöverlagring av spin-up och spin-down. Spinn är egenskapen hos elektronen som utnyttjas i kiselbaserade kvantenheter; konventionella datorer, däremot, fungerar genom att manipulera en elektrons negativa laddning.
Mills hävdade att kiselspinn-qubits i allmänhet har fördelar jämfört med andra qubit-typer. "Tanken är att varje system kommer att behöva skala upp till många qubits," sa han. "Och just nu har de andra qubit-systemen verkliga fysiska begränsningar för skalbarhet. Storleken kan vara ett verkligt problem med dessa system. Det finns bara så mycket utrymme du kan stoppa in de här sakerna i."
I jämförelse är kiselspinn-qubits gjorda av enstaka elektroner och är extremt små.
"Våra enheter är bara cirka 100 nanometer i diameter, medan en konventionell supraledande qubit är mer som 300 mikron i diameter, så om du vill göra många på ett chip kommer det att bli svårt att använda ett supraledande tillvägagångssätt," sa Petta.
Den andra fördelen med kiselspinn-qubits, tillade Petta, är att konventionell elektronik idag är baserad på kiselteknologi. "Vår känsla är att om du verkligen vill göra en miljon eller tio miljoner qubits som kommer att krävas för att göra något praktiskt, så kommer det bara att hända i ett solid-state-system som kan skalas med hjälp av standardhalvledartillverkningsindustrin. "
Ändå har det varit en utmaning för forskare att driva spin-qubits – precis som andra typer av qubits – med hög tillförlitlighet.
"En av flaskhalsarna för tekniken med spin-qubits är att två-qubit-gatefideliteten fram till helt nyligen inte har varit så hög," sa Petta. "Det har varit långt under 90 procent i de flesta experiment."
Men det var en utmaning som Petta och Mills och forskargruppen trodde kunde uppnås.
För att utföra experimentet var forskarna först tvungna att fånga en enda elektron – ingen liten uppgift.
"Vi fångar en enda elektron, en mycket liten partikel, och vi måste få in den i ett specifikt område i rymden och sedan få den att dansa", sa Petta.
För att göra detta behövde Mills, Petta och deras kollegor konstruera en "bur". Detta tog formen av en wafer-tunn halvledare gjord huvudsakligen av kisel. På toppen av detta mönstrade teamet små elektroder, som skapar den elektrostatiska potentialen som används för att korralera elektronen. Två av dessa burar sammansatta, åtskilda av en barriär eller grind, utgjorde den dubbla kvantpunkten.
"Vi har två snurr som sitter på angränsande platser bredvid varandra", sa Petta. "Genom att justera spänningen på dessa grindar kan vi tillfälligt trycka ihop elektronerna och få dem att interagera. Detta kallas en två-qubit-grind."
Interaktionen får varje spinn-qubit att utvecklas i enlighet med tillståndet för dess närliggande spin-qubits, vilket leder till intrassling i kvantsystem. Forskarna kunde utföra denna två-qubit-interaktion med en trohet som översteg 99 procent. Hittills är detta den högsta troheten för en två-qubit-grind som hittills har uppnåtts i spin-qubits.
Petta sa att resultaten av detta experiment placerar denna teknik – kiselspinn-qubits – på likvärdig fot med de bästa resultaten som uppnåtts av de andra stora konkurrerande teknologierna. "Den här tekniken är på en kraftigt ökande lutning," sa han, "och jag tror att det bara är en tidsfråga innan den går om de supraledande systemen."
"En annan viktig aspekt av den här uppsatsen," tillade Petta, "är att det inte bara är en demonstration av en högfientlig två-qubit-grind, utan den här enheten klarar allt. Detta är den första demonstrationen av ett halvledarspin-qubit-system där vi har integrerad prestanda för hela systemet – tillståndsförberedelsen, utläsningen, enstaka qubit-kontrollen, två-qubit-kontrollen – allt med prestandamått som överskrider den tröskel du behöver för att få ett större system att fungera."
Förutom Mills och Petta inkluderade arbetet även insatser från Princeton-studenterna Charles Guinn och Mayer Feldman, samt University of Pennsylvania biträdande professor i elektroteknik Anthony Sigillito. Michael Gullans, Institutionen för fysik, Princeton University och Center for Quantum Information and Computer Science vid NIST/University of Maryland, och Erik Nielsen från Sandia National Laboratories, Albuquerque, New Mexico, bidrog också till uppsatsen och forskningen. + Utforska vidare
