Veijo Hänninen

Kvanttipisteitä ja spinkubitteja

Kvanttipisteet ovat jo kuluttajillekin tuttuja televisioiden ja näyttöjen ruuduilta. Toinen tuttu juttu on nykyelektroniikan piiteknologia. Näistä jo tutuista aineksista voisi syntyä vaikkapa kvanttitietokone.

Niihin panostaa myös VTT:n aiemmin keväällä julkistama SemiQon spin-off yhtiö. Se aikoo laajentaa suomalaisten panostuksia kvanttitietotekniikan parissa nimenomaan näiden tuttujen aineksien avulla.

Niistä syntyy lähestymistapa, jossa käytetään suhteellisen halpaa ja helposti toistettavaa piin kvanttipistepohjaista teknologiaa vastatakseen kvanttitietokoneen skaalauksen haasteeseen.

SemiQonin käynnistämiseen liittyvässä tiedotteessa toteaa rahoittajapartnerin Voima Venturesin Jussi Sainiemi että ”maailmanlaajuisesti suurin osa kvantti-investoinneista on kohdistunut suprajohtaviin ja muihin qubit-teknologioihin. Piipuolijohdekubittien teknologia on kuitenkin edelleen alirahoitettu – vaikka sitä eivät rasita monien muiden teknologioiden kohtaamat skaalautuvuuden haasteet.”

Skaalauksen haaste

SemiQonin tarkoitus on rakentaa piipohjaisia kvanttiprosessoreita miljoonaan kubitin aikakautta varten. Heidän missionsa on toteuttaa kvanttilaskennan mahdollisuuksia parantamalla teknologian skaalautuvuutta tehokkaiden, kestävien ja kustannustehokkaiden kvanttiprosessorien avulla.

Yritys aikoo rakentaa uudentyyppistä kvanttiprosessorisirua, joka on valmistettu piistä, toisin kuin nykyiset lähestymistavat, jotka perustuvat vähemmän tuttuihin materiaaleihin.

Ajatus on, että vanha tuttu piitekniikka mahdollistaisi kaupallisesti kilpailukykyisien ja teollisen mittakaavan laitekomponenttien valmistuksen.

Piistä on tullut yksi vakavasti otettavista kvanttilaskennan alustoista, sillä se on osoittanut pitkiä koherenssiaikoja ja korkealla tarkkuudella toimivia kubitteja. Lisäksi piikvanttipisteiden ja transistorien samankaltaisuudet antavat toivoa kubittien helposta integroimisesta ohjauselektroniikkaan massatuotantona.

Multipleksaus ja CMOS-tekniikka

Tulevien kvanttitietokoneiden toteutusten yksi ajatus on koota ne kokonaisuudeksi pienemmistä yksiköistä kvanttitiedonsiirtoa hyödyntäen.

Toinen suunta on, että kvanttitietokoneiden monimutkaisuuden kasvaessa teknologian on tukeuduttava suurien hajautettujen järjestelmien sijaan kompakteihin integroituihin ratkaisuihin.

Tähän tarjoaa edellytyksiä multipleksaava kubittien luku- ja ohjaustekniikka sillä se vähentää kubitin ympärillä tarvittavaa johdotusta.

Piikvanttipisteissä olevien spin-kubittien uskotaan tarjoavan tähän hyvän skaalautuvuuden, koska sekä spiniä kantavat kvanttipisteet että niitä tukeva komplementaarinen metalli-oksidi-puolijohde-elektroniikka (CMOS) voidaan periaatteessa integroida monoliittisesti yhdelle sirulle.

Tutkijaryhmä, jossa myös SemiQonin Mika Prunnila, Janne S. Lehtinen olivat mukana, julkaisi vuonna 2022 tutkimusraportin, jonka aiheena on Skaalautuva pienikohinaisten piillä olevien elektroneja ja aukkoja käyttävien kvanttipisteiden multipleksointi sirulla. Työssään he toteuttivat 64-kanavaisen kryogeenisen CMOS-multiplekseriin.

Tutkijaraportin mukaan tämä integroitu hybridi kvanttipisteiden CMOS-teknologia tarjoaa reitin jopa miljoonien korkealaatuisten kvanttipisteiden skaalautuvaan rajapintaan vikasietoisen ja suuren piipohjaisen kvanttitietokoneen rakentamiselle.

Apupiirit pienemmiksi

Skaalautuvuuspotentiaalin täysimääräinen hyödyntäminen edellyttää myös, että apupiirien jalanjälki ohjausta ja luentaa varten on minimoitu.

Kvanttilaitteiden ja erityisesti kvanttipisteiden suora mittaus on haastava tehtävä niiden tyypilliseen korkeaan impedanssiin liittyvien suurten aikavakioiden vuoksi.

Monet kvanttilaitteissa tärkeät ilmiöt ovat dynaamisia, joten niitä ei voida tutkia pelkillä aikakeskiarvoisilla mittauksilla. Tällaisia ohimeneviä vaikutuksia mittaavat kokeet tunnetaan yhteisesti nopeana luentana.

Yksi hyödyllisimmistä tekniikoista nopeassa sähköisessä lukemisessa on radiotaajuinen reflektometria, jolla voidaan mitata muutoksia impedansseissa vaikka niiden kesto on mikrosekunteja tai vähemmän.

Jo vuonna 1998 Schoelkopf et al. esitteli radiotaajuisen yksielektronitransistorin (SET), joka voi mitata yli 100 MHz:n kaistanleveydellä kvanttipisteiden varauksen. Ratkaisu oli sijoittaa SET siirtojohdon päähän ja valaisemalla eli tutkaamalla laitetta RF-signaalilla, jonka heijastunut vaihe ja amplitudi riippuvat SET:n impedanssista.

RF-tekniikat ovat vallanneet aiheen parissa alaa ja erityisesti sitä on motivoinut kvanttilaskenta, jossa käytetään todellisiin tai keinotekoisiin atomeihin eli kvanttipisteisiin (QD) rajoittuneiden varautuneiden hiukkasten spiniä kubittien koodaamiseen.

Käytännön kvanttilaskenta vaatii virheenkorjausmenetelmiä, joka sisältää nopean korkean tarkkuuden kubittien yhden laukauksen lukemisen, paljon nopeammin kuin niiden koherenssiaika. Tällaiset herkät ja nopeat luennat voisivat tarjota rf-SET tai dispersiivinen luenta.

Näihin liittyen multipleksointitekniikat tarjoavat keinon käyttää tehokkaasti kaikkea käytettävissä olevaa kaistanleveyttä tai käytettävissä olevaa aikaikkunaa lukusignaalien kuljettamiseen useista kvanttilaitteista ja ne ovat avainasemassa kvanttilaskennan laajentamisessa.

Etäisempien piikubittien yhdistely

Demonstraatiossa, joka lupaa auttaa skaalaamaan pieniin piipisteisiin perustuvia kvanttitietokoneita, RIKEN-tutkimusinstituutin fyysikot ovat onnistuneet yhdistämään kaksi kubittia jotka ovat fyysisen etäisyyden päässä toisistaan.

"Useampien kubittien yhdistämiseksi, monet niistä on ahdettava tiiviisti hyvin pienelle alueelle", sanoo Akito Noiri RIKEN Center for Emergent Matter Science -keskuksesta. "Joten on erittäin vaikeaa käyttää johtimia erittäin tiheästi pakattujen kubittien yhdistämiseen."

Nyt Noiri ja työtoverit ovat realisoineet kahden kubitin logiikkaportin fyysisesti etäisten piin spin-kubittien välille.

"Vaikka tällä alueella on tehty paljon työtä eri lähestymistapojen avulla, tämä on ensimmäinen kerta, kun kukaan on onnistunut osoittamaan luotettavan logiikkaportin, joka muodostuu kahdesta etäisestä kubitista", Noiri sanoo. "Demonstraatio avaa mahdollisuuden skaalata piikvanttipisteisiin perustuvaa kvanttilaskentaa."

Kahden kubitin yhdistämiseksi ryhmä käytti menetelmää, joka tunnetaan nimellä koherentti spinin sukkulointi, joka mahdollistaa yksittäisten spin-kubittien siirtämisen kvanttipisteiden joukossa vaikuttamatta niiden vaihekoherenssiin – tärkeä ominaisuus kvanttitietokoneille, koska se kantaa informaatiota. Menetelmä puskee elektronia kubittijoukon läpi jännitteen avulla.

Vaikka fyysinen ero näiden kahden kubitin välillä oli suhteellisen lyhyt, Noiri uskoo, että eromatkaa voidaan jatkaa tulevissa tutkimuksissa. "Haluamme kasvattaa eron noin mikrometriin", hän sanoo. "Se tekee menetelmästä käytännöllisemmän tulevaa käyttöä varten."

Uusvanha vaihtoehto spinkubittien ohjaukseen

Boeingin ja General Motorsin omistama yritystutkimus- ja kehityslaboratorio HRL Laboratories on julkaissut ensimmäisen esittelyn koodattujen spin-kubittien yleisen tason ohjauksesta.

HRL:n tutkijat ja insinöörit ovat demonstroineet kokeellisesti tietynlaisen kubitin, joka ennustettiin teoreettisesti jo 2000-luvulla ja osoittivat onnistuneesti kaikki toiminnot, joita tarvitaan minkä tahansa kvanttilaskenta-algoritmin suorittamiseen.

Tämä tunnetaan "yleisen hallinnan" osoituksena. Vaikka näin on tehty monen tyyppisille kubiteille, ainutlaatuinen näkökohta tässä on, että kyseessä on virtuaalinen kubitti, joka on koodattu fyysisten kubittien tiloihin.

Tämä koodattu virtuaalikubitti käyttää kolmea spiniä ja ohjausjärjestelmää, jossa jännitteiden kohdistaminen metalliportteihin vaihtaa osittain elektronien spinien suunnat, mutta ilman, että niitä koskaan vaaditaan kohdistumaan mihinkään tiettyyn suuntaan.

Piirakenteinen kuuden 28Si/SiGe-kvanttipisteen ryhmä vangitsee kuusi ohjattavaa yksittäistä elektronia. Erityisillä jännitteiden ohjauksilla loukutettiin, alustettiin, mitattiin ja sitten vaihdettiin eksaktisti ja osittain yksittäisiä elektroneja 100 miljoonaa kertaa sekunnissa.

Osittainen vaihto on kvanttioperaatio, joka toteuttaa vaihdon tai ei-vaihdon superposition. Tällöin voidaan matemaattisesti osoittaa, että tämä spinien osittaisen vaihtamisen operaatio riittää suorittamaan minkä tahansa kvanttioperaation halutulle, rajoitetulle useiden spintilojen joukolle.

Lisäksi tämä toimenpide voidaan tehdä pelkästään puskemalla elektroneja yhteen yksinkertaisilla jännitepulsseilla. Jotta nämä toiminnot näyttäisivät perinteisiltä kvanttilaskennan operaatioilta, toteutettiin koodaus käyttäen kolmea spinkoodausta kubittia kohden.

Vähäisemmällä energiankäytöllä

Demonstraatioissa toteutettu toiminnallinen paradigma eroaa pohjimmiltaan siitä, miten useimmat muut kubitit toimivat. Klassisen tietojenkäsittelyn tapaan perinteiset kubitit ovat kuin kytkimiä, jotka voidaan kääntää päälle tai pois energiapulssilla, kun taas kubitit ovat enemmän samanlaisia kuin "konservatiivinen logiikka", jossa bitit voidaan vaihtaa keskenään, mutta niitä ei koskaan käännetä.

Muut piitekniikan spin-pohjaiset lähestymistavat eivät toteuta koodausta ja ne käsittelevät jokaista spiniä kubittina. Suprajohtavat kubitit eivät käytä yksittäisiä spinejä, vaan ne käyttävät perustavanlaatuisia kaksitilajärjestelmiä, joiden ohjaus on hyvin samanlaista kuin yksittäisten spinien.

Yksittäisen spinin tai suprajohtavan kubitin kääntämiseksi on käytettävä energiaa, yleensä mikroaaltojen muodossa, jotka jollakin tavalla toimitetaan spiniin tai suprajohtavaan piiriin. Vaikka tämä toimii pienemmissä järjestelmissä, voi olla vaikeaa eristää mikroaaltosignaaleja toisistaan, pitää eri mikroaaltolähteet synkronoituna keskenään tai estää mikroaaltoja lämmittämästä järjestelmää kestämättömästi suurissa tulevaisuuden koneissa.

Keskeinen ero pelkästään vaihtoon perustuvassa lähestymistavassa on, että mikroaaltoja ei käytetä, koska yksittäisiä spinejä ei koskaan käännetä. Sen sijaan siinä käytetään osittaisia swap-operaatioita, jotka ovat joko "tekemättä mitään" tai kahden muuten identtisen elektronin paikkojen vaihtamista; Nämä ovat pohjimmiltaan energiaa säästäviä toimintoja, jotka eliminoivat tarpeen siirtää energiaa kryogeenisiin ympäristöihin mikroaaltosignaalien kautta spinin kääntämiseksi tai piirien virittämiseksi.

Flip-flop kubitti

UNSW Sydneyn yliopiston Professori Andrea Morellon ryhmä osoitti aikoinaan, että elektronin spinin sekä piihin upotetun yksittäisen fosforiatomin ydinspiniä voitaisiin käyttää "kubitteina". Vaikka nämä molemmat toimivat poikkeuksellisen hyvin yksinään, ne tarvitsevat värähteleviä magneettikenttiä toimiakseen.

Magneettisia kenttiä on vaikea paikantaa nanometrin mittakaavassa, joten ensimmäiset ehdotukset piikvanttibitille suunniteltiin, niin että kaikki kubitit ulotettaisiin koko sirun kattavaan tasaisesti värähtelevään magneettikenttään ja sitten paikallisten sähkökenttien avulla valitaan se mitä kubittia käytetään.

Muutama vuosi sitten Professori Morellon ryhmällä sai oivalluksen: määrittämällä kubitin elektronin ja atomin ytimen yhdistettynä ylös-alas/alas-ylös -orientaatioksi mahdollistaisi tällaisen kubitin ohjaamisen pelkästään sähkökenttien avulla.

Nyt he ovat esitelleet tämän oivalluksen kokeellinen toteutuksen.

Teoria ennusti, että siirtämällä elektroni suhteessa ytimeen, voidaan ohjelmoida mielivaltaisiaflip-flop-kubitin kvanttitiloja. Ja tutkijoiden mukaan kokeilu vahvistaa tämän ennusteen täydellisellä tarkkuudella.

"Tärkeintä on, että tarvittava elektronien siirtymä saadaan aikaan yksinkertaisesti kohdistamalla jännite pieneen metallielektrodiin eikä tarvita koko sirun kattavaa värähtelevää magneettikenttää.

"Flip-flop"-kubitin sähköiseen ohjaukseen liittyy erittäin tärkeä sivuvaikutus. Kun negatiivista varausta (elektroni) siirretään pois positiivisesta varauksesta (ydin), muodostuu sähköinen dipoli. Kahden tai useamman sähköisen dipolin sijoittaminen toistensa läheisyyteen saa aikaan vahvan sähköisen kytkennän niiden välille, mikä voi välittää useamman kubitin kvanttilogiikan operaatioita, joita tarvitaan hyödyllisten kvanttilaskelmien suorittamiseen.

"Tavallinen tapa yhdistää spin-kubitit piissä on sijoittaa elektronit niin lähelle toisiaan, että ne tehokkaasti "koskettavat", sanoo professori Morello.

"Tämä edellyttää, että kubitit asetetaan muutaman kymmenesosa nanometrin ruudukkoon. Tekniset haasteet sen tekemisessä ovat melko vakavia. Sen sijaan sähköisten dipolien ei tarvitse "koskea" toisiaan – ne vaikuttavat toisiinsa kaukaa. Teoriamme osoittaa, että 200 nanometriä on optimaalinen etäisyys nopeille ja korkealaatuisille kvanttioperaatioille.

"Tämä voi olla pelin muuttava kehitys, koska 200 nanometriä on tarpeeksi kaukana erilaisten ohjaus- ja lukulaitteiden asettamiseen kubittien väliin, mikä helpottaa prosessorin johdottamista ja käyttöä."

Toukokuu 2023