Kahden kubitin portti piitransistoriin

Baselin yliopiston ja NCCR SPIN:n tutkijat ovat saavuttaneet ensimmäisen ohjattavan vuorovaikutuksen kahteen elektroniaukkoon perustuvan spin-kubitin välillä kahden ohjainhilan piitransistorissa. Läpimurto avaa mahdollisuuden integroida miljoonia tällaisia kubitteja yhdelle sirulle olemassa olevia valmistusprosesseja käyttäen.

Kvanttitietokoneen nopean tiedonkäsittelyn perusta on vakaa ja nopea vuorovaikutus suuren kubittimäärän kesken, joiden kunkin tiloja voidaan luotettavasti ohjata ulkopuolelta. Lisäksi kubittien olisi mahduttava yhdelle sirulle.

Nykyään edistyneimmissä kvanttitietokoneissa on vain muutama sata kubittia, mikä tarkoittaa, että ne voivat suorittaa vain laskelmia, jotka ovat jo mahdollisia (ja usein tehokkaampia) perinteisissä tietokoneissa.

Baselin yliopiston ja NCCR SPINin tutkijat luottavat kubitin tyyppiin, joka käyttää elektronin tai aukon spiniä (sisäistä kulmamomenttia).

Sekä aukoilla että elektroneilla on spin, joka voi ottaa yhden kahdesta tilasta: ylös tai alas, analogisesti 0 ja 1 klassisissa biteissä. Elektronin spiniin verrattuna aukon spinin etuna on, että sitä voidaan ohjata kokonaan sähköisesti ilman, että sirulle tarvitaan lisäkomponentteja, kuten mikromagneetteja.

Jo vuonna 2022 Baselin fyysikot pystyivät osoittamaan, että olemassa olevan elektronisen laitteen aukot voidaan ansoittaa ja käyttää kubitteina. Näitä "FinFET:jä" (fin-kenttävaikutustransistorit) käytettään nykyään jo älypuhelimissa ja niitä valmistetaan laajalle käytetyissä teollisissa prosesseissa.

Nyt tri Andreas Kuhlmannin johtama tiimi on onnistunut ensimmäistä kertaa saavuttamaan hallittavan vuorovaikutuksen kahden kubitin välillä tällaisessa kokoonpanossa.

Kvanttitietokone tarvitsee "kvanttiportit" laskelmien suorittamiseen. Nämä edustavat operaatioita, jotka käsittelevät kubitteja ja yhdistävät ne toisiinsa. Kuten tutkijat raportoivat, he kykenivät yhdistämään kaksi kubittia ja saamaan aikaan toisen spinin ohjatun käännöksen riippuen toisen spinin tilasta, joka tunnetaan kontrolloituna spinin flippinä.

"Aukkospinin avulla voimme luoda kahden kubitin portteja, jotka ovat sekä nopeita että tarkkoja. Tämä periaate mahdollistaa nyt myös suuremman kubittiparien määrän yhdistämisen", Kuhlmann sanoo.

Kahden spin-kubitin kytkentä perustuu niiden vaihtovuorovaikutukseen, joka tapahtuu kahden erottumattoman hiukkasen välillä, jotka ovat vuorovaikutuksessa keskenään sähköstaattisesti. Yllättäen aukkojen vaihtoenergia ei ole vain sähköisesti ohjattavissa, vaan myös voimakkaasti anisotrooppinen. Tämä on seurausta spin-kiertoradan kytkennästä, mikä tarkoittaa, että aukon spin-tilaan vaikuttaa sen liike avaruudessa.

Tämän havainnon kuvaamiseksi mallissa Baselin yliopiston kokeelliset ja teoreettiset fyysikot ja NCCR SPIN yhdistivät voimansa. "Anisotropia tekee kahden kubitin portit mahdollisiksi ilman tavanomaista nopeuden ja uskollisuuden välistä kompromissia", tohtori Kuhlmann sanoo.

"Aukkospineihin perustuvat kubitit eivät ainoastaan hyödynnä piisirujen hyväksi todettua valmistusta, vaan ne ovat myös erittäin skaalautuvia ja ovat osoittautuneet nopeiksi ja kestäviksi kokeissa." Tutkimus korostaa, että tällä lähestymistavalla on vahva mahdollisuus kilpailussa kehittää laajamittainen kvanttitietokone.

Aiheesta aiemmin:

"Kuumat" spinkvanttibitit piitransistoreissa

Tutkijat loivat loogisen kvanttiprosessorin

Uusi kubittialusta luodaan atomi kerrallaan