В високосном для квантовых вычислений, кремниевых квантовых битов наладить отношения на расстоянии

Представьте себе мир, где люди могли говорить только с их соседкой, и сообщения должны быть переданы дома к дому, чтобы добраться до мест.

До сих пор это была ситуация для бит аппаратного обеспечения, образующих кремниевого квантового компьютера, тип квантового компьютера с потенциалом, чтобы быть дешевле и более универсальны, чем нынешние версии.

Теперь команду Принстонского университета удалось преодолеть это ограничение и показал, что два квантовых вычислений компоненты, известен как силиконовая «спин», кубиты, могут взаимодействовать, даже если отстоят сравнительно далеко друг от друга на компьютерный чип. Исследование было опубликовано в журнале Nature.

«Возможность передачи сообщений через это расстояние на кремниевом чипе открывает новые возможности для нашего квантового аппаратного обеспечения», — сказал Джейсон Петта, Юджин Хиггинс профессор физики Принстонского университета и руководитель исследования. «Конечная цель заключается в наличии нескольких квантовых битов, расположенных в двумерной сетки, которая может выполнять еще более сложные расчеты. Исследование должно помочь в долгосрочной перспективе, чтобы улучшить взаимодействие кубитов на чипе, а также от одного чипа к другому».

Квантовые компьютеры обладают потенциалом для решения проблем за пределами возможностей повседневного компьютеров, таких как разложение больших чисел. Квантовый бит, или кубит, может обрабатывать гораздо больше информации, чем повседневные компьютер, потому что в то время как в каждом классическом компьютере бит может иметь значение 0 или 1, квантовый бит может представлять собой диапазон значений между 0 и 1 одновременно.

Чтобы осуществить обещание квантовых вычислений, эти футуристические компьютеры потребуются десятки тысяч кубитов, которые могут взаимодействовать друг с другом. Сегодняшние прототипы квантовых компьютеров от компании Google, IBM и другие компании содержат десятки кубитов от технологии, основанной на использовании сверхпроводящих цепей, но многие технологи вид кремниевых кубитов, как более перспективный в долгосрочной перспективе.

Кремний спиновые кубиты имеют ряд преимуществ перед сверхпроводящих кубитов. Кремний спиновые кубиты сохраняют свои квантовые состояния кубита больше, чем конкурирующие технологии. Широкое использование кремния для повседневного компьютеров означает, что кремниевые кубиты могут быть изготовлены при низких затратах.

Проблема частично обусловлена тем, что кремний спиновых кубитов изготавливаются из одиночных электронов и крайне малы.

«Проводки или соединения между несколькими кубитами является самой большой проблемой на пути крупномасштабного квантового компьютера», — сказал Джеймс Кларк, директор квантового аппаратного обеспечения в Intel, чья команда строит кремниевых кубитов, используя Intel в передовые производственные линии, и который не участвовал в исследовании. «Команда Джейсон Петта это проделала огромную работу в направлении доказывая, что спина кубиты могут быть соединены на дальние расстояния.»

Для этого Принстонской команды связаны кубиты через «провод», что несет свет аналогично оптоволоконного провода, которые доставляют сигналы интернета в домах. В этом случае, однако, она на самом деле узкая полость, содержащая частицы света, или фотона, который забирает сообщение из одного кубита и передает его на следующий кубит.

Двух кубитов были расположены около половины сантиметра, или о длине зерна риса, в клочья. Чтобы поставить это в перспективе, если каждый кубит были размером с дом, кубит мог бы отправить сообщение на другой кубит находится в 750 км от отеля.

Ключевым шагом вперед был найти способ, чтобы получить кубиты и фотона говорить на одном языке по настройке всех трех вибрировать на той же частоте. Команде удалось тюнинг как кубиты независимо друг от друга, а еще соединять их в фотон. Ранее архитектуры устройства разрешено соединение только одного кубита к фотону за раз.

«Вы должны уравновесить кубит энергии на обеих сторонах чипа с фотонной энергии, чтобы сделать все три элемента разговаривать друг с другом», — сказал Феликс Borjans, аспирант и первый автор на изучении. «Это была очень сложная часть работы».

Каждый кубит состоит из одного электрона в ловушке в крошечной камере называется двойной квантовой точке. Электроны обладают свойством, известным как спин, который может указывать вверх или вниз аналогично стрелке компаса, указывающей на север или на юг. Переключать электронов с СВЧ-полем, исследователи могут перевернуть спин вверх или вниз, чтобы назначить кубит квантового состояния 1 или 0.

«Это первая демонстрация спутать спинов электронов в кремнии, разделенные расстояниями, намного больше, чем устройства корпус этих спинов», — сказал Фаддей Лэдд, старший научный сотрудник лаборатории ЛПЧ и соавтора по проекту. «Не так давно, не было сомнения в том, что это стало возможным, из-за противоречивых требований соединение спины с микроволновой печью и избежать последствий шумные движущиеся заряды в кремниевых устройств. Это важное доказательство возможности для кремниевых кубитов, потому что это добавляет значительную гибкость в том, как провода эти кубиты, и как укладывать их геометрически в будущем на основе кремния ‘квантовых микросхем».

Связь между двумя удаленными кремниевых кубитов устройств основывается на предыдущей работе исследовательской команды Петта. В документе, в 2010 году в журнале Science, команда показала, возможно, для перехвата одиночных электронов в квантовых ямах. В журнале Nature в 2012 году, сообщила группа передачи квантовой информации от спинов электронов в нанонитях в СВЧ-фотонов, и в 2016 году в науке они продемонстрировали возможность передачи информации на основе кремния заряд кубит фотонов. Они демонстрировали ближайшего соседа торговле информацией в кубиты в 2017 году в науке. И команда показала в 2018 году в природе что кремний спинового кубита может обмениваться информацией с фотоном.

Елена Вукович, профессор электротехники и Дженсен Хуан-профессор глобального лидерства Стэнфордского университета, который не участвовал в исследовании, заявил: «демонстрация дальним взаимодействием между кубитами имеет решающее значение для дальнейшего развития квантовых технологий, таких как модульная квантовых компьютеров и квантовых сетей. Этот потрясающий результат от команды Джейсон Петта является важной вехой в достижении этой цели, поскольку он демонстрирует нелокальные взаимодействия двух спинов электронов, разделенных более чем на 4 миллиметра, при посредничестве микроволновая печь фотон. Кроме того, чтобы построить этот квантовый контур, группа использовала кремний и германий — материалы активно используются в полупроводниковой промышленности».

Исследование финансировалось исследовательским управлением армии (грант W911NF-15-1-0149) и Фонда Гордона и Бетти Мур EPiQS инициативе (грант GBMF4535).

сделать разницу: спонсорские возможности