"Kuumat" spinkvanttibitit piitransistoreissa

Äskettäin kehitetyt piitransistoreihin tukeutuvan arkkitehtuurin kubitit perustuvat elektroniaukkoihin (punainen), joiden spin (nuoli) yhteen tai toiseen suuntaan tallentaa informaation.

Kvanttibitit ovat kvanttitietokoneen pienimmät informaatioyksiköt. Tällä hetkellä yksi suurimmista haasteista niiden kehittämisessä on skaalautuvuus.

Baselin yliopiston tutkimusryhmä, joka työskentelee Rüschlikonissa sijaitsevan IBM:n tutkimuslaboratorion kanssa, on tehnyt läpimurron tällä alueella.

Tohtori Andreas Kuhlmannin ja professori Dominik Zumbühlin Baselin yliopistosta johtama tutkimusryhmä on nyt esitellyt piipohjaisia kubitteja, jotka ovat rakenteeltaan hyvin samanlaisia kuin klassiset piitransistorit.

Klassisissa tietokoneissa ratkaisu skaalautuvuusongelmaan on piisiruissa, jotka sisältävät nykyään miljardeja "finFET-transistoreja". Ne ovat tarpeeksi pieniä kvanttisovelluksiin; hyvin matalissa lämpötiloissa lähellä absoluuttista nollaa, yksi negatiivinen elektroni tai positiivisen varauksen omaava "aukko" voi toimia spin-kubittina.

Spin-kubitit tallentavat kvantti-informaatiota kahdessa tilassa: spin-up (sisäinen kulmamomentti ylös) ja spin-down (sisäinen kulmamomentti alas).

Kuhlmannin tiimin kehittämät kubitit perustuvat FinFET-arkkitehtuuriin ja käyttävät aukkoja spin-kubitteina. Toisin kuin elektronien spin, aukon spiniä piin nanorakenteissa voidaan manipuloida suoraan nopeilla sähkösignaaleilla.

Toinen suuri skaalautuvuuden este on lämpötila; Aikaisempien kubittijärjestelmien piti tyypillisesti toimia erittäin alhaisella alueella, noin 0,1 kelvinissä.

Jokaisen kubitin ohjaamiseen tarvitaan ohjaus- ja mittauslinjoja, joilla huonelämpötilassa oleva ohjauselektroniikka kytketään kryostaatissa oleviin kubitteihin. Ohjauslinjojen lukumäärää pitää rajoittaa, sillä jokainen linja tuottaa lämpöä. Tämä luo väistämättä pullonkaulan johdotukseen, mikä puolestaan asettaa rajan skaalautumiselle.

Tämän johdotuksen pullonkaulan kiertäminen on yksi Kuhlmannin tutkimusryhmän päätavoitteista ja edellyttää mittaus- ja ohjauselektroniikan rakentamista suoraan jäähdytettävään yksikköön. "Tällaisen elektroniikan integrointi vaatii kuitenkin kubitin toiminnan yli 1 kelvinin lämpötiloissa, jolloin kryostaattien jäähdytysteho kasvaa jyrkästi ohjauselektroniikan lämmön haihtumisen kompensoimiseksi", selittää tohtori Leon Camenzind.

Tohtoriopiskelija Simon Geyer, joka jakaa tutkimuksen johtavan tekijän Camenzindin kanssa, lisää: "Olemme voittaneet 4 kelvinin rajan kubiteillamme ja saavuttaneet siten nestemäisen heliumin kiehumispisteen." Sellaisella voidaan saavuttaa paljon suurempi jäähdytysteho, mikä mahdollistaa piiritekniikan integroinnin kryogeenisen tekniikan ulottuville.

Työskentely todistetun tekniikan, kuten FinFET-arkkitehtuurin, kanssa kvanttitietokoneen rakentamiseksi tarjoaa mahdollisuuden skaalata erittäin suuriin kubittimääriin. "Meidän lähestymistapamme tukeutua olemassa olevaan piiteknologiaan vie meidät lähelle alan käytäntöjä", Kuhlmann sanoo yliopistonsa julkaisussa.

Aiheesta aiemmin:

Kohti tehokkaampaa kvanttilaskentaa

Kubitteja ohjaten

Laveampaa kvantti-informaation vaihtoa