Erste Demonstration der universellen Kontrolle von codierten Spin-Qubits

HRL Laboratories, LLC, hat die erste Demonstration der universellen Kontrolle von codierten Spin-Qubits veröffentlicht. Dieser neu entstehende Ansatz für die Quantenberechnung verwendet eine neuartige Qubit-Gerätearchitektur auf Siliziumbasis, die im Reinraum von HRL in Malibu hergestellt wird, um einzelne Elektronen in Quantenpunkten einzufangen. Spins von drei solchen Einzelelektronen beherbergen energetisch entartete Qubit-Zustände, die durch Kontaktwechselwirkungen des nächsten Nachbarn gesteuert werden, die teilweise Spinzustände mit denen ihrer Nachbarn tauschen.

Vor der Veröffentlichung in der Zeitschrift online gestellt Natur, Das HRL-Experiment demonstrierte die universelle Kontrolle ihrer codierten Qubits, was bedeutet, dass die Qubits erfolgreich für jede Art von Quantenrechenalgorithmus-Implementierung verwendet werden können. Die codierten Silizium/Silizium-Germanium-Quantenpunkt-Qubits verwenden drei Elektronenspins und ein Steuerschema, bei dem an Metallgates angelegte Spannungen die Richtungen dieser Elektronenspins teilweise vertauschen, ohne sie jemals in eine bestimmte Richtung auszurichten. Bei der Demonstration wurden Tausende dieser genau kalibrierten Spannungspulse im Verlauf von wenigen Millionstel Sekunden in strenger Relation zueinander angelegt. Der Artikel trägt den Titel „Universelle Logik mit codierten Spin-Qubits in Silizium“.

Die Quantenkohärenz, die das verwendete isotopenangereicherte Silizium bietet, die rein elektrische und übersprecharme Steuerung partieller Austauschoperationen und die konfigurierbare Unempfindlichkeit der Codierung gegenüber bestimmten Fehlerquellen bieten zusammen einen starken Weg zu skalierbarer Fehlertoleranz und Rechenvorteil , große Schritte in Richtung eines kommerziellen Quantencomputers.

„Über die offensichtlichen Herausforderungen von Design und Herstellung hinaus musste eine Menge robuster Software geschrieben werden, beispielsweise um unser Steuerungsschema zu optimieren und zu kalibrieren“, sagte HRL-Wissenschaftler und Erstautor Aaron Weinstein. „Beträchtliche Anstrengungen wurden unternommen, um effiziente, automatisierte Routinen zu entwickeln, um zu bestimmen, welche angelegte Spannung zu welchem ​​Grad an teilweiser Vertauschung führte. Da Tausende solcher Operationen implementiert werden mussten, um Fehlerniveaus zu bestimmen, musste jede einzelne präzise sein. Wir haben hart gearbeitet, um das zu erreichen all diese Kontrolle arbeitet mit hoher Präzision.“

„Das war eine Teamleistung“, sagte HRL-Gruppenleiter und Co-Autor Mitch Jones. „Die Ermöglichung talentierter Steuersoftware-, Theorie-, Gerätewachstums- und Fertigungsteams war entscheidend. Darüber hinaus waren viele Messungen an Geräten erforderlich, um die interne Physik ausreichend zu verstehen und Routinen zu entwickeln, um diese quantenmechanischen Wechselwirkungen zuverlässig zu steuern. Diese Arbeit und Demonstration ist der Höhepunkt dieser Messungen, die durch die Zeit, die ich damit verbracht habe, mit einigen der klügsten Wissenschaftler zusammenzuarbeiten, die ich getroffen habe, noch besser wurden.“

„Es ist schwer zu definieren, was die beste Qubit-Technologie ist, aber ich denke, dass das Silizium-Austausch-Qubit zumindest am ausgewogensten ist“, sagte Thaddeus Ladd, HRL-Gruppenleiter und Co-Autor. „Wirkliche Herausforderungen bestehen weiterhin in der Verbesserung von Fehlern, Skalierung, Geschwindigkeit, Einheitlichkeit, Übersprechen und anderen Aspekten, aber keiner dieser Aspekte erfordert ein Wunder. Bei vielen anderen Arten von Qubits gibt es mindestens einen Aspekt, der immer noch sehr, sehr schwierig aussieht.“

Einmal in großem Maßstab realisiert, würden sich Quantencomputer von herkömmlichen Supercomputern dadurch unterscheiden, dass sie ein fragiles Merkmal der Quantenmechanik namens Quantenverschränkung verwenden, um bestimmte Berechnungen in sehr kurzer Zeit durchzuführen, die herkömmliche Computer Jahre oder Jahrzehnte dauern würden. Unter vielen möglichen Anwendungen ist eine Beispielrechnung die Simulation des Verhaltens großer Moleküle.

Um die Atome in einem Molekül zu beschreiben, werden nur wenige Daten benötigt, aber ein sehr großer Arbeitsraum wird benötigt, um alle quantenmechanischen Zustände zu berechnen, die Elektronen im Molekül haben könnten. Quantenchemische Simulationen könnten viele technologische Richtungen von der Materialentwicklung über die Wirkstoffforschung bis hin zur Entwicklung von Prozessen zur Eindämmung des Klimawandels dramatisch beeinflussen.