Kvantberäkningsingenjörer vid UNSW Sydney har visat att de kan koda kvantinformation – specialdata i en kvantdator – på fyra unika sätt inom en enda atom, inuti ett kiselchip.
Bragden skulle kunna lindra några av utmaningarna med att driva tiotals miljoner kvantberäkningsenheter på bara några kvadratmillimeter av ett kvantdatorchip av kisel.
I en artikel publicerad i Nature Communications , beskriver ingenjörerna hur de använde de 16 kvanttillstånden i en antimonatom för att koda kvantinformation.
Antimon är en tung atom som kan implanteras i ett kiselchip och ersätta en av de befintliga kiselatomerna. Den valdes eftersom dess kärna har åtta distinkta kvanttillstånd, plus en elektron med två kvanttillstånd, vilket resulterar i totalt 8 x 2 =16 kvanttillstånd, alla inom bara en atom. Att nå samma antal tillstånd med enkla kvantbitar – eller kvantbitar, den grundläggande enheten för kvantinformation – skulle kräva tillverkning och koppling av fyra av dem.
Huvudförfattaren Irene Fernandez de Fuentes säger att teamet, under ledning av Scientia-professor Andrea Morello, byggde på mer än ett decenniums arbete som hade etablerat olika metoder för kvantkontroll för att visa att alla var möjliga inom samma atom. Antimonatomen implanterades i chipet av kollegor vid University of Melbourne, med hjälp av Heavy Ion Accelerators vid Australian National University.
"Först visade vi att vi kunde kontrollera antimonens elektron med ett oscillerande magnetfält, liknande genombrottet 2012 som var första gången en qubit någonsin demonstrerades i kisel", säger hon.
"Närnäst visade vi att vi kunde använda ett magnetfält för att manipulera spinn av antimonets kärna. Detta är standardmetoden för magnetisk resonans, som används till exempel i MRI-maskiner på sjukhus. Den tredje metoden var att kontrollera antimonatomens kärna med ett elektriskt fält, något som upptäcktes av en lycklig olycka 2020.
"Och det fjärde sättet var att kontrollera både antimonkärnan och elektronen i opposition till varandra, med hjälp av ett elektriskt fält med hjälp av så kallade flip-flop qubits, vilket visades av detta team förra året.
"Det här senaste experimentet visar att alla fyra av dessa metoder kan användas i samma kiselchip med samma arkitektur."
Fördelen med att ha fyra olika metoder är att varje metod ger dataingenjörer och fysiker mer flexibilitet när de designar framtida kvantberäkningschips.
Till exempel är magnetisk resonans snabbare än elektrisk resonans, men magnetfältet sprids brett i rymden, så det kan också påverka närliggande atomer. Elektrisk resonans, även om den är långsammare, kan appliceras mycket lokalt för att välja en specifik atom utan att påverka någon av dess grannar.
"Med denna stora antimonatom har vi den fullständiga flexibiliteten för hur vi integrerar den med en kontrollstruktur över ett kiselchip", säger Prof. Morello.
Framtidens kvantdatorer kommer att ha miljontals, om inte miljarder qubits som arbetar samtidigt för att knäcka siffror och simulera modeller på minuter som skulle ta dagens superdatorer hundratals eller till och med tusentals år att färdigställa.
Medan vissa team runt om i världen har gjort framsteg med ett stort antal qubits, som Googles 70 qubit-modell eller IBMs version som har mer än 1000, kräver de mycket större utrymmen för att deras qubits ska fungera utan att störa varandra.
Men det tillvägagångssätt som Prof. Morello och andra kollegor har tagit vid UNSW är att designa kvantdatorer med hjälp av teknik som redan används för att tillverka konventionella datorer. Även om framstegen kan vara långsammare när det gäller antalet arbetande qubits, kommer fördelen med att använda kisel att innebära att man kan ha miljontals qubits i en kvadratmillimeter chip.
"Vi investerar i en teknik som är svårare, långsammare, men av mycket goda skäl, en av dem är den extrema tätheten av information som den kommer att kunna hantera", säger Prof. Morello.
"Det är mycket bra att ha 25 miljoner atomer i en kvadratmillimeter, men du måste kontrollera dem en efter en. Att ha flexibiliteten att göra det med magnetiska fält, eller elektriska fält, eller vilken kombination som helst av dem, kommer att ge oss massor av alternativ att spela med när du skalar upp systemet."
Därefter kommer gruppen att använda antimonatomens stora beräkningsutrymme för att utföra kvantoperationer som är mycket mer sofistikerade än de som ges av vanliga qubits. De planerar att koda en "logisk" qubit i atomen – en qubit byggd på mer än två kvantnivåer, för att få tillräckligt med redundans för att upptäcka och korrigera fel när de uppstår.
"Detta är nästa gräns för praktisk, användbar kvantdatorhårdvara", säger Prof. Morello.
"Att kunna bygga en felkorrigerad logisk qubit inom en enda atom kommer att vara en fantastisk möjlighet att skala upp kiselkvanthårdvara till den punkt där den blir kommersiellt användbar."
Mer information: Irene Fernández de Fuentes et al, Navigering i det 16-dimensionella Hilbert-utrymmet i en högspindonator-quidit med elektriska och magnetiska fält, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-45368-y
Tillhandahålls av University of New South Wales
