Kubittien flip-flop

Australian University of New South Walesin (UNSW) insinöörit ovat keksineet radikaalin uuden arkkitehtuurin kvanttilaskentaan. Se perustuu uudenlaisiin "flip-flop kubitteihin", joka lupailee tehdä kvanttisirujen laajamittaisen valmistuksen dramaattisesti halvemmaksi - ja helpommaksi kuin on ajateltu.

Uusi sirupiirien suunnitelma mahdollistaa piirakenteisen kvanttiprosessorin, jota voidaan laajentaa ilman tarkkoja atomien sijoituksia, joita muut lähestymistavat edellyttävät.

Tutkijaryhmän vetäjä Andrea Morello ja UNSW:n ARC Centre of Excellence for Quantum Computation and Communication Technologyn (CQC2T) ohjelmavastaavan mukaan uuden rakenteen valmistuksen pitäisi olla helposti saavutettavissa nykypäivän tekniikan avulla.

Tutkijakollega ja raportin ensimmäinen kirjoittaja Guilherme Tosi kehitti uraauurtava konseptin yhdessä Morellon ja muiden CQC2T:n ja Purduen yliopiston tutkijoiden kanssa.

"Se on loistava suunnitelma, ja kuten monet tällaiset käsitteelliset harppaukset, se on hämmästyttävää, ettei kukaan ollut ajatellut sitä aiemmin", toteaa Morello.

Ryhmä kehittämä 'spinien kubitti' käyttää sekä elektronia että atomin ydintä. Pointti on, että tätä kubittia voidaan ohjata sähköisten signaalien avulla magneettisten sijaan. Sähköiset signaalit ovat huomattavasti helpommin jaeltavissa ja paikallistettavissa elektronisen sirun sisällä.

Uusi ratkaisu mahdollistaa myös suurten kubittiryhmien toteutuksen. Jos kubitit ovat liian lähellä tai liian kaukana toisistaan niin lomittumista ei tapahdu.

Kun tavoitteena on tehdä tuhansien tai miljoonien kubittien järjestelmä myös kaikki ohjauslinjat, ohjauselektroniikka ja lukupiirit on valmistettava nanometrien mitoissa.

Esimerkiksi jo käyttöön otetut suprajohtavat piirit - joita esimerkiksi IBM ja Google tavoittelevat – sekä ioniansat ovat suurempia ja helpompia valmistaa, mutta pitkällä aikavälillä ne voivat kohdata haasteita yritettäessä koota ja käyttää miljoonia kubitteja, kuten hyödyllisimmissä kvanttialgoritmeissa vaaditaan.

"Meidän uutta piipohjaista lähestymistapa on helpompaa valmistaa kuin atomitason rakenteet, mutta voimme silti sijoittaa miljoona kubittia neliömillimetrille", toteaa Morello.

Ryhmän piitekniikkaa hyödyntävä ratkaisu toimii absoluuttisen nollan lähellä olevassa lämpötilassa ja erittäin vahvassa magneettikentässä. Sen ytimessä on fosforiatomi, jonka elektronia ja ydintä hyödyntäen UNSW:n tutkijat ovat saavuttaneet hyvän koherenssin kestoajan.

Konseptin läpimurto on luoda näistä kokonaan uuden tyyppiset kubitit. Kubitin "0" tila määritellään kun elektronin spin on alas ja ytimen spin on ylöspäin, kun taas "1" tilassa elektronin spin on ylöspäin ja ytimen spin on alas.

Tutkijat kutsuvat sitä flip-flopiksi. Tämän qubitin operoimiseksi elektroni on vedettävä hieman poispäin ytimestä, jolloin syntyy sähköinen dipoli. Ne vuorovaikuttavat toistensa kanssa melko suurilla etäisyyksillä, jolloin jää tilaa tarvittavalle ohjauselektrodeille ja luentapiireille.

Kyseessä on vasta teoria, ehdotus - kubittia ei ole vielä rakennettu", toteaa Morello. "Meillä on alustavia kokeellisia tietoja, jotka viittaavat siihen, että se on täysin toteuttamiskelpoinen, joten pyrimme sen osoittamaan.

Aiheesta aiemmin:

Kvanttibitit toimivat piisirulla