Forscher haben damit begonnen, Magnete zu verwenden, um Qubits, die Bausteine von Quantencomputern, zu verschränken. Diese einfache Technik könnte komplexe Fähigkeiten freischalten.
Wenn Sie einen Knopf drücken, um ein Garagentor zu öffnen, öffnet sich nicht jedes Garagentor in der Nachbarschaft. Das liegt daran, dass der Öffner und die Tür über eine bestimmte Mikrowellenfrequenz kommunizieren, eine Frequenz, die keine andere Tür in der Nähe verwendet.
Forscher des Argonne National Laboratory des US-Energieministeriums (DOE), der University of Chicago, der University of Iowa und der Tohoku University in Japan haben begonnen, Geräte zu entwickeln, die die gleichen Prinzipien nutzen könnten – Signale über Magnete statt über die Luft senden – einzelne Qubits über einen Chip zu verbinden, wie in a berichtet neues Papier veröffentlicht in der Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften.
„Dies ist bei Raumtemperatur ein Proof of Concept einer skalierbaren, robusten Quantentechnologie, die konventionelle Materialien verwendet“, sagte David Awschalom, Professor für Molekulartechnik und Physik der Liew-Familie an der Pritzker School of Molecular Engineering der University of Chicago; der Direktor der Chicago Quantum Exchange; der Direktor von Q-NEXT, einem DOE National Quantum Information Science Research Center in Argonne; und der Hauptforscher des Projekts. „Das Schöne an diesem Experiment liegt in seiner Einfachheit und der Verwendung bewährter Technologie zur Entwicklung und letztendlichen Verschränkung von Quantengeräten.“
Die Verbindung von Qubits durch Quantenverschränkung ist für den Bau eines Quantencomputers notwendig, kann aber oft schwierig sein. Bei Stickstoff-Fehlstellenzentren (NV-Zentren) – Defekten im Diamant, die als Qubits verwendet werden können – besteht die Herausforderung darin, dass sie sehr, sehr nahe beieinander sein müssen, um miteinander kommunizieren zu können. Die normale Quantenwechselwirkung zwischen NV-Zentren hat eine maximale Reichweite von nur wenigen Nanometern – einem Tausendstel der Breite eines Haares – und wenn die NV-Zentren so nahe beieinander liegen, können sie nicht in eine nützliche Konfiguration gebracht werden.
„Man muss in der Lage sein, die Dinge dort in die Hände zu bekommen, um Drähte anzuschließen und ein Gerät herzustellen“, sagte Michael Flatté, Professor für Physik und Astronomie an der University of Iowa, der an der Arbeit mitgewirkt hat. Flatté ist außerdem leitender Wissenschaftler beim Quantentechnologieunternehmen QuantCAD LLC, einem Unternehmenspartner der Chicago Quantum Exchange. „Und dafür sind Nanometer einfach zu nah dran.“
Hier kommen Magnete ins Spiel.
Vor zwei Jahren veröffentlichten Flatté und seine Mitarbeiter eine theoretische Arbeit, in der sie vorschlugen, ein magnetisches Material zu verwenden, um eine Quantenverbindung zwischen NV-Zentren herzustellen, sodass sie auch in größerem Abstand miteinander verschränkt werden könnten. Die normale Interaktion zwischen zwei NV-Zentren beinhaltet Mikrowellen. In diesem vorgeschlagenen Gerät empfängt der Magnet die Mikrowelle vom NV-Zentrum und überträgt sie über „Magnon“ an das NV auf der anderen Seite.
In einem Magneten zeigen die Spins aller darin enthaltenen Elektronen in die gleiche Richtung, wie bei Getreidehalmen, die alle nach oben zeigen. Ein Magnon ist eine leichte Wellenstörung durch diese Drehungen, wie eine Welle, die der Wind über das Getreidefeld erzeugen würde. Magnonen können viel weiter als Nanometer vordringen – sogar tausendmal weiter, sogar viele Mikrometer.
„Die Mikrometerskala ist ziemlich interessant, weil sie die typische Skala vieler integrierter elektronischer Geräte ist, wie zum Beispiel Siliziumtransistoren in einem Computerchip“, sagte Flatté. „Wenn man also Dinge dieser Größe herstellen würde, könnte man eine angemessene Anzahl davon auf einem Chip unterbringen.“
Die Verbindung von NV-Center-Qubits mit Magneten ermöglicht auch eine selektive Interaktion: Wenn zwei Qubits im Quantencomputer mit einer leicht unterschiedlichen Frequenz sprachen, könnten sie sich verschränken, ohne die anderen Qubits zu stören oder von ihnen beeinflusst zu werden, selbst wenn sich andere Qubits zwischen ihnen befänden. Diese Fähigkeit ist äußerst wichtig für die Art komplexer Arbeit, die Wissenschaftler von Quantencomputern erwarten.
Dieses Experiment von Awschalom und seinen Mitarbeitern bestätigte erfolgreich, dass das NV-Zentrum mit dem magnetischen Material „sprechen“ und seine Mikrowellen als Magnon übertragen kann. Darüber hinaus stimmten die Zahlen nahezu perfekt mit den Vorhersagen in der theoretischen Arbeit vor zwei Jahren überein.
„Diese Arbeit ist eine gute Synergie zwischen Experiment und Theorie“, sagte Masaya Fukami, Erstautorin des Papiers. Fukami war während des Experiments Postdoc an der Pritzker School of Molecular Engineering an der UChicago und arbeitet jetzt beim Quantencomputerunternehmen PsiQuantum. „Ich war wirklich beeindruckt davon, wie gut das Modell das Experiment vorhergesagt hat. Das gibt mir großes Vertrauen in dieses System.“
Nachdem sie nun festgestellt haben, dass das NV-Zentrum mit dem Magneten kommunizieren kann, besteht der nächste Schritt darin, ein weiteres NV-Zentrum auf der anderen Seite zu platzieren und zu prüfen, ob der Magnet eine Quantenverbindung zwischen den beiden vermitteln kann.
„Dies ist die erste Integrationsmodalität mit Magneten“, sagte Flatté. „Ich denke, es ist ein wirklich leistungsstarker Ansatz, der prinzipiell auch auf andere Festkörper-Qubit-Systeme angewendet werden könnte.“
Mehr Informationen:
Masaya Fukami et al., Magnon-vermittelte Qubit-Kopplung, bestimmt durch Dissipationsmessungen, Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften (2024). DOI: 10.1073/pnas.2313754120