Eine süße Lösung für überfüllte Schaltkreise in Quantencomputerchips

Die Silizium-Mikrochips zukünftiger Quantencomputer werden mit Millionen, wenn nicht Milliarden Qubits – den Grundeinheiten der Quanteninformation – gefüllt sein, um die größten Probleme der Menschheit zu lösen. Und da Millionen von Qubits Millionen von Drähten in den Mikrochip-Schaltkreisen benötigen, wird es dort immer eng.

Aber jetzt haben Ingenieure an der UNSW Sydney einen wichtigen Schritt zur Lösung eines seit langem bestehenden Problems gemacht, ihren Qubits mehr Luft zum Atmen zu geben – und dabei dreht sich alles um Gummibärchen.

Nicht die Art, auf die wir uns verlassen, wenn es um einen Zuckerschub geht, der uns über den Einbruch um 15 Uhr hinwegbringt. Aber Jellybean-Quantenpunkte – längliche Bereiche zwischen Qubit-Paaren, die mehr Platz für die Verkabelung schaffen, ohne die Art und Weise zu unterbrechen, wie die gepaarten Qubits miteinander interagieren.

Wie Hauptautor und außerordentlicher Professor Arne Laucht erklärt, ist der Jellybean-Quantenpunkt kein neues Konzept im Quantencomputing und wurde als Lösung für einige der vielen Wege zum Bau des weltweit ersten funktionierenden Quantencomputers diskutiert.

„Es wurde in verschiedenen Materialsystemen wie Galliumarsenid gezeigt. Aber in Silizium wurde es bisher noch nicht gezeigt“, sagt er.

Silizium ist wohl eines der wichtigsten Materialien im Quantencomputing, A/Prof. Laucht sagt, dass die Infrastruktur zur Herstellung künftiger Quantencomputer-Chips bereits vorhanden sei, da wir in klassischen Computern Siliziumchips verwenden. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass man so viele Qubits (in Form von Elektronen) auf einem Chip unterbringen kann.

„Aber weil die Qubits so nah beieinander sein müssen, um Informationen miteinander auszutauschen, war es immer eine Herausforderung, Drähte zwischen den einzelnen Paaren zu platzieren.“

In einer heute veröffentlichten Studie in Fortgeschrittene Werkstoffebeschreibt das UNSW-Ingenieurteam, wie es im Labor zeigte, dass Jellybean-Quantenpunkte in Silizium möglich sind. Dies eröffnet nun die Möglichkeit, Qubits voneinander zu beabstanden, um sicherzustellen, dass die für die Verbindung und Steuerung der Qubits erforderlichen Drähte dazwischen passen.

Wie es funktioniert

In einem normalen Quantenpunkt mit Spin-Qubits werden einzelne Elektronen aus einem Elektronenpool im Silizium gezogen, um unter einem „Quantentor“ zu sitzen – wo der Spin jedes Elektrons den Rechenzustand darstellt. Beispielsweise könnte Spin-up eine 0 und Spin-down eine 1 darstellen. Jedes Qubit kann dann durch ein oszillierendes Magnetfeld mit Mikrowellenfrequenz gesteuert werden.

Um einen Quantenalgorithmus zu implementieren, benötigen wir jedoch auch Zwei-Qubit-Gatter, bei denen die Steuerung eines Qubits vom Zustand des anderen abhängig ist. Damit dies funktioniert, müssen beide Quantenpunkte sehr nahe beieinander platziert werden, nur wenige Zehntel Nanometer voneinander entfernt, damit ihre Spins miteinander interagieren können. (Um es ins rechte Licht zu rücken: Ein einzelnes menschliches Haar ist etwa 100.000 Nanometer dick.)

Aber sie weiter auseinander zu bewegen, um mehr Platz für die Verkabelung zu schaffen, war schon immer die Herausforderung, vor der Wissenschaftler und Ingenieure standen. Das Problem bestand darin, dass die gepaarten Qubits nicht mehr miteinander interagieren, wenn sie sich voneinander entfernen.

Die Jellybean-Lösung stellt eine Möglichkeit dar, beides zu haben: gut verteilte Qubits, die sich weiterhin gegenseitig beeinflussen. Um die Gummibärchen herzustellen, fanden die Ingenieure einen Weg, eine Elektronenkette zu erzeugen, indem sie mehr Elektronen zwischen den Qubits einschlossen. Dies fungiert als Quantenversion eines String-Telefons, sodass die beiden gepaarten Qubit-Elektronen an jedem Ende der Gummibärchen weiterhin miteinander kommunizieren können. An den Berechnungen sind nur die Elektronen an jedem Ende beteiligt, während die Elektronen im Jellybean-Punkt dafür sorgen, dass sie bei der Ausbreitung miteinander in Wechselwirkung bleiben.

Der Hauptautor der Arbeit, ehemaliger Ph.D. Student Zeheng Wang sagt, dass die Anzahl der zusätzlichen Elektronen, die in den Jellybean-Quantenpunkt gezogen werden, entscheidend dafür ist, wie sie sich anordnen.

„Wir haben in der Arbeit gezeigt, dass, wenn man nur ein paar Elektronen in die darunter liegende Elektronenpfütze lädt, diese in kleinere Pfützen zerfällt. Es handelt sich also nicht um einen zusammenhängenden Jellybean-Quantenpunkt, sondern um einen kleineren hier und einen größeren darin.“ die Mitte und ein kleineres dort. Wir reden hier von insgesamt drei bis vielleicht zehn Elektronen.

„Erst wenn man zu einer größeren Anzahl von Elektronen übergeht, sagen wir 15 oder 20 Elektronen, wird die Jellybean kontinuierlicher und homogener. Und dort haben Sie Ihre wohldefinierten Spin- und Quantenzustände, die Sie verwenden können, um Qubits aneinander zu koppeln.“ “

Post-Jellybean-Quantenwelt

A/Prof. Laucht betont, dass noch viel zu tun sei. Die Bemühungen des Teams für diese Arbeit konzentrierten sich auf den Nachweis, dass der Jellybean-Quantenpunkt möglich ist. Der nächste Schritt besteht darin, an jedem Ende des Jellybean-Quantenpunkts funktionierende Qubits einzufügen und sie miteinander kommunizieren zu lassen.

„Es ist großartig zu sehen, dass diese Arbeit realisiert wurde. Es stärkt unser Vertrauen, dass Jellybean-Koppler in Silizium-Quantencomputern verwendet werden können, und wir freuen uns darauf, als nächstes zu versuchen, sie mit Qubits zu implementieren.“