Veijo Hänninen

Kvanttilaskentaa kierteellä ja elektronien aukoilla

Kvanttitietokoneet tavoittelevat yhä moninaisempia kubittien hallintaa ja pisimmälle katsovilla on mielessä jo vakiintuneella piitekniikalla tuotetut kvanttitietokoneet.

Ennuste, että kierretyt puolijohdekaksoiskerrokset voivat isännöidä niin sanottuja ei-Abelialaisia tiloja ilman magneettikenttää, lupailee peräti vikasietoista kvanttilaskentaa.

Tutkijat uskovat, että kvanttitietokoneiden suorituskykyä voitaisiin parantaa käyttämällä oletettuja aineen faaseja eli ei-Abelialaisia tiloja koodaamaan informaatiota virheettömästi.

Mutta sellaisen materiaalin toteuttaminen, joka voisi isännöidä tällaisia tiloja, vaatii tyypillisesti voimakkaan magneettikentän, mikä estäisi laitteen integroinnin.

Nyt kolme ryhmää on ennustanut, että ei-Abelin tiloja voi muodostua tietyissä puolijohderakenteissa ilman magneettikenttää. Jos tämä ennuste vahvistetaan kokeellisesti, se voi johtaa luotettavampiin kvanttitietokoneisiin, jotka voivat suorittaa laajemman valikoiman tehtäviä.

Kolme ryhmää tutkaili materiaalia, jossa kaksi yksittäistä kerrosta puolijohdemolybdeenidelluridia on pinottu pienellä kierteellä niiden välissä. Käyttäen teoreettista mallintamista ja kehittyneitä simulaatioita ryhmät tutkivat, voisiko tämä materiaali sisältää ei-Abelin tiloja nollamagneettikentässä.

Kaikki kolme ryhmää havaitsivat, että nämä tilat voisivat ilmaantua noin 2°:n kiertymiskulmassa, jos toinen materiaalin energiatasoista, jota kutsutaan toiseksi moiré-nauhaksi, olisi puolitäytetty elektroneilla. Ryhmät tutkivat tätä ennustettua ilmiötä hieman eri puolilta.

Teoreetikot ovat jo aiemmin kehittäneet tapoja valjastaa ei-Abelin tilat toimiviksi kubiteiksi ja manipuloida näiden tilojen viritteitä vankan kvanttilaskennan mahdollistamiseksi.

Suprajohteisen kubitin luennan mysteeri ratkaistu

Teoreettinen työ tarjoaa kauan odotetun selityksen sille, miksi suprajohtavien kvanttitietokoneiden kubittien mittaukset ovat odotettua epätarkempia.

Marie Frédérique Dumas ja hänen kollegansa Sherbrooken yliopistosta Kanadasta ovat kehittäneet teoreettisen viitekehyksen, joka ratkaisee tämän mittausmysteerin.

Tutkijat toivovat, että heidän ajatukset mahdollistavat suprajohtavien kvanttitietokoneiden suorittavan laskelmia tarkemmin ja ilman niin monia virheenkorjaustoimenpiteitä.

Dumas ja hänen kollegansa keskittyivät yleisimmin käytettyyn suprajohtavaan kubit-versioon: transmoniin. Se luetaan tyypillisesti lähettämällä mikroaaltosignaali kubittiin kytketyn resonaattorin kautta. Lähtevän signaalin ominaisuudet riippuvat kubitin kvanttitilasta.

Tutkijat setvivät tällaista kubitti-resonaattori järjestelmää käyttämällä kolmea toisiaan täydentävää mallia, jotka vaihtelivat täysin kvanttisesta täysin klassiseen malliin, jossa transmon-kubitilla on ohjatun heilurin dynamiikka.

Tiimi osoitti, että mikroaaltosignaalin lähetys resonaattorin läpi voi saada kytketyn kubitin virittymään korkealle energiatasolle, mikä mahdollistaa sen pakenemisen rajauspotentiaalinsa kaivosta.

Tämä prosessi saa kubitin "ionisoitumaan" menettäen tarkasti määritellyn kvanttitilansa. Kolmen mallin ennusteet olosuhteista, joissa tämä ionisaatio tapahtuu, täsmäävät keskenään ja kokeellisen datan kanssa.

Sen lisäksi, että Dumas ja kollegat selittävät transmon-kubittien odotettua alhaisemman lukutarkkuuden, he sanovat, että heidän tuloksia voitaisiin käyttää ymmärtämään paremmin järjestelmiä, joissa on muun tyyppisiä suprajohtavia kubitteja ja muita lukujärjestelmiä.

Kuinka siirtää useita ioneja kahdessa ulottuvuudessa

Järjestelmä, joka siirtää sähkömagneettisesti loukkuun jääneitä ioneja kahdessa ulottuvuudessa, voisi auttaa skaalatun ionipohjaisen kvanttilaskennan kehittämisessä.

Sähkömagneettisissa ansoissa pidetyistä ioniryhmien tekniikka on yksi lupaavista kvanttitietokoneiden toteutuksista, mutta ionien määrän kasvaessa lineaariset ryhmät muuttuvat epäkäytännöllisiksi. Ionien järjestäminen uudelleen vuorovaikutuksen saavuttamiseksi minkä tahansa tietyn parin välillä tulee haastavaksi, mutta nyt tutkijat ovat osoittaneet kaksiulotteisen järjestelmän, joka tekee sen tehokkaasti.

Tätä lähestymistapaa käytettäessä koko kvanttioperaatioiden valikoima on mahdollista toteuttaa suhteellisen yksinkertaisilla jännitteillä, ja tutkijat uskovat sen pian löytävän käyttöä käytännön ionipohjaisissa laitteissa.

Jos ionien uudelleenjärjestely – joka tunnetaan lajitteluna – voi tuoda jokaisen ionin riittävän lähelle jokaista toista ionia mahdollistaakseen parittaisen kvanttilomittumisen, järjestelmällä on niin kutsuttu kaikista-kaikkiin yhteys.

Tutkijat uskovat, että heidän suunnitelmansa johtaa tuhansien ionien tehokkaaseen hallintaan ilman, että tarvitaan tuhansia itsenäisiä elektrodeja ja johtoja.

Yhdessä vaihto- ja uudelleenjärjestelytoiminnot mahdollistavat kaikki mahdolliset vuorovaikutukset järjestelmän ionien välillä. Kokeet myös osoittavat, että mikään näistä menetelmistä ei häiritse ionien kvanttitiloja.

Uusi 2D-lajittelujärjestelmä on "teknisesti erittäin vaikuttava, ja kaikki näyttää toimivan erittäin hienosti", sanoo Jonathan Home, kvanttitietojärjestelmien asiantuntija Sveitsin liittovaltion teknologiainstituutista (ETH) Zürichistä. "Heidän käyttöön ottamansa yksinkertainen ohjausjärjestelmä on myös keskeinen askel skaalattaessa suurempiin järjestelmiin", hän sanoo.

Timantti ja spin-fotoni

Fraunhofer Institute for Applied Solid State Physics IAF:n koordinoimana 28 kumppanin projekti "SPINNING — Diamond spin-photon-based quantum computer" kehittää spin-fotoniin ja timanttiin perustuvaa kvanttitietokonetta.

Tavoitteena on kvanttitietokone, jolle on ominaista pienemmät jäähdytysvaatimukset, pidemmät toiminta-ajat ja pienemmät virhesuhteet kuin muilla kvanttilaskentamenetelmillä.

Spin-fotoniin perustuvan kvanttitietokoneen hybridikonsepti tarjoaa myös paremman skaalautuvuuden ja liitettävyyden, mikä mahdollistaa joustavan yhteyden perinteisiin tietokoneisiin.

Projektissa luodaan kubitteja käyttämällä timanttihilan värikeskuksia vangitsemalla elektroni johonkin neljästä keinotekoisesti luodusta hilavirheestä (vakanssikeskus), jotka on seostettu typellä (NV), piillä ja typellä (SiNV), germaniumilla (GeV) tai tinalla (SnV). Elektronien spin yhdistyy magneettisen vuorovaikutuksen kautta viiden vierekkäisen hiili 13C -isotoopin ydinspinin kanssa.

Keskimmäistä elektronispiä voidaan sitten käyttää osoitettavissa olevana kubittinä", selittää SPINNING-verkoston koordinaattori professori Rüdiger Quay.

"Yksittäiset kubitit muodostavat matriisirakenteisen kubittirekisterin. SPINNING-kvanttitietokone tulee koostumaan ainakin kahdesta ja myöhemmin jopa neljästä tällaisesta rekisteristä, jotka vuorostaankytketään optisesti pitkillä, esimerkiksi 20 metrin kuituetäisyyksillä, jotta saadaan aikaan kattava informaation vaihto”, Quay jatkaa.

Optinen kytkentä keskuselektronin spinien ja rekisterien välillä toteutetaan optisella reitittimellä yhdessä valonlähteen ja ilmaisimen kanssa luentaa varten. Ydinspinien yksittäisiä tiloja ohjataan korkeataajuisilla pulsseilla.

Projektin tuloksena on jo saavutettu lomittuneiden kubit-rekisterien demonstraatio korkealla tarkkuudella

SPINNINGin välitulosten esimerkillinen vertailu suprajohtaviin Josephson-liitoksiin (SJJ) perustuvien kvanttitietokoneiden avainindikaattoreihin korostaa projektissa tehdyn työn arvoa.

Virhesuhteella < 0,5 % spin-fotoniin perustuva, tähän mennessä kaksitoista kubittia käsittävä kvanttitietokone saavuttaa yhden kubitin portissa saman tuloksen kuin SJJ-mallit Eagle (127 kubittia) ja Heron (154 kubittia).

Koherenssiajassa yli 10 ms:n pituinen spin-fotonipohjainen kvanttitietokone ylittää selvästi SSJ-mallit (> 50 µs), vaikka lomittumisetäisyys on monta kertaa suurempi 20 metrissä muutamaan millimetriin verrattuna.

Kahden elektronin kvanttilomittuminen

UNSW:n kvantti-insinöörien ryhmä on osoittanut maailman ensimmäisen kahden elektronin kvanttilomittumisen, joista kumpikin on sitoutunut eri fosforiatomiin, sijoitettuna piikvanttitietokoneen sirun sisään.

"Nykyään lomittuminen on tärkein tehokkaiden kvanttitietokoneiden rakentamisen resurssi", sanoo UNSW:n professori Andrea Morello.

UNSW-tiimi on erikoistunut rakentamaan kvanttitietokonelaitteita, joissa informaatio on koodattu yksittäisten elektronien spiniin, jotka on sidottu lähes tavanomaisen piisirun sisään istutettuihin fosforiatomeihin.

Tämä lähestymistapa kvanttitietokoneiden rakentamiseen on erittäin tehokas: siinä yhdistyvät piitietokonesirujen laajamittainen valmistettavuus sekä atomien pieni koko ja luonnollinen kvanttikäyttäytyminen.

Tohtori Holly Stemp, artikkelin johtava kirjoittaja, selittää: "Fosforiatomin spin on erinomainen kvanttibitti. Mutta koska atomit ovat niin pieniä, ei ole helppoa saada niitä "puhumaan" toisilleen, saati sitten luoda aitoa kvanttilomittumista. Tämä on itse asiassa ensimmäinen kerta, kun kahden piiatomin välille on luotu todistettavissa oleva lomittuminen."

Vuorovaikutus, jota käytetään atomien lomittumiseen, on itsessään hyvin "kvanttimainen", hän lisää.

"Elektronit eivät ole vain hiukkasia, vaan myös aaltoja, ja kun kaksi aaltoa limittyvät toistensa kanssa, ne saavat aikaan niin sanotun "vaihtovuorovaikutuksen", jota käytimme tässä atomien lomittamiseen.

Vuorovaikutuksen voimakkuuden perusteella tutkijat arvioivat, että atomien etäisyys toisistaan on noin 20 nanometriä.

Koska kvanttilomittuminen on niin vaikea ja hauras, sen olemassaolon osoittaminen on oma haasteensa.

UNSW:n insinöörit työskentelivät yhdessä Yhdysvaltojen Sandia National Laboratoriesin asiantuntijoiden kanssa kehittääkseen ja soveltaakseen kehittyneitä tekniikoita kvantifioidakseen atomien lomittumiseen käytettyjen kvanttioperaatioiden "tarkkuuden" eli täydellisyyden asteen.

"Tämä ei ole ensimmäinen kerta, kun tällaisiaoperaatioita on yritetty", tohtori Stemp sanoo, "mutta tämä on ensimmäinen kerta, kun ne ovat olleet tarpeeksi täydellisiä todistamaan kiistattomasti, että atomien välillä on lomittumista."

Lomittuminen on kvanttilaskennan avainresurssi ja professori Morello korostaa, kuinka tärkeä tämä tulos on kvanttitietokoneen toiminnalle.

"Mutta todellinen pelin muuttaja on lomittuminen, koska sen avulla voidaan luoda digitaalisia koodisanoja, joita ei todellakaan ole klassisessa tietokoneessa."

Lisäksi lomittuminen on "kvanttilinkki" eri kvanttibittien välillä, joten se on olennainen työkalu kvanttitietokoneen skaalaamiseen.

"Haluamme rakentaa kvanttitietokoneita piihin istutetuista atomeista", tohtori Stemp sanoo.

"Atomit ovat pieniä ja täydellisiä, ja olisi hämmästyttävää, jos voisimme käsitellä niitä menetelmillä, jotka on lainattu biljoonien dollareiden puolijohdeteollisuudesta, joka on jokaisen käyttämämme digitaalisen laitteen perusta. Kahden atomin välisen kvanttilomittumisen osoittaminen avaa tien seuraavan sukupolven piikvanttitietokonesirujen toiminnallisuuteen.

Elektronien aukot spinkubittien perustana

Daniel Halversonin, Alexander Hamiltoni ja Scott Lilesin vetämä UNSW Sydneyn tiimi yhteistyössä australialaisen start-up-yrityksen Diraqin kanssa, on saavuttanut merkittävän virstanpylvään demonstroimalla aukko-spin-kubitteja käyttäen alan standardeja piin valmistusprosesseja.

Elektroniaukon spinit – positiivisesti varautuneet hiukkaset puolijohteessa – voivat mullistaa kvanttitietokoneet tarjoamalla nopeat toimintanopeudet ja saumattoman integroinnin olemassa olevan piiteknologian kanssa.

"Tämä on tärkeä askel kohti uutta sukupolvea nopeita piikvanttibittejä, ja on huomionarvoista, että ryhmässä oli tutkijoita kaikilla tasoilla perustutkinto-opiskelijoista kokeneisiin tutkijoihin", sanoo tohtori Scott Liles UNSW Physicsistä ja viimeisimmän paperin johtava kirjoittaja.

Vertaamalla kokeellisia ja simuloituja tuloksia ryhmä pystyi hallitsemaan kubittia ja osoitti kubitin toimintanopeuksia jopa muutaman nanosekunnin nopeudella, mikä on useita suuruusluokkia nopeammin kuin vastaavat elektronikubitit.

Erityisesti näitä aukkokubitteja voidaan ohjata jopa 1000 kertaa nopeammin kuin elektronipohjaisia kubitteja, mikä tarjoaa merkittäviä suorituskyvyn parannuksia, mikä korostaa aukkospinkubittien potentiaalia nopeampiin ja tehokkaampiin kvanttilaskentasovelluksiin arvioivat tutkijat.

Marraskuu 2024