Физика

Прорыв в квантовых вычислениях: кремниевые кубиты взаимодействуют на больших расстояниях

Прорыв в квантовых вычислениях: кремниевые кубиты взаимодействуют на больших расстояниях

Ученые из Принстона демонстрируют, что два кремниевых квантовых бита могут общаться на относительно больших расстояниях в поворотной точке для этой технологии.

Представьте себе мир, в котором люди могут разговаривать только со своим ближайшим соседом, и сообщения должны передаваться из дома в дом, чтобы добраться до дальних мест назначения.

До сих пор это было для аппаратных компонентов, составляющих кремниевый квантовый компьютер, тип квантового компьютера с потенциалом быть более дешевым и универсальным, чем сегодняшние версии.

Теперь команда из Принстонского университета преодолела это ограничение и продемонстрировала, что два компонента квантовых вычислений, известные как кремниевые «спиновые» кубиты, могут взаимодействовать, даже если они расположены относительно далеко друг от друга на компьютерном чипе. Исследование было опубликовано сегодня (25 декабря 2019 года) в журнале Nature.

“Возможность передачи сообщений через это расстояние на кремниевом чипе открывает новые возможности для нашего квантового оборудования”, – сказал Джейсон Петта, профессор физики Юджина Хиггинса в Принстоне и руководитель исследования. “Конечная цель состоит в том, чтобы несколько квантовых битов располагались в двумерной сетке, которая может выполнять еще более сложные вычисления. Исследование должно помочь в долгосрочной перспективе улучшить связь кубитов на чипе, а также от одного чипа к другому”.

Квантовые компьютеры обладают потенциалом для решения задач, выходящих за рамки возможностей обычных компьютеров, таких как факторинг больших чисел. Квантовый бит, или кубит, может обрабатывать гораздо больше информации, чем обычный компьютерный бит, поскольку каждый классический компьютерный бит может иметь значение 0 или 1, а квантовый бит может одновременно представлять диапазон значений от 0 до 1.

Чтобы реализовать обещание квантовых вычислений, этим футуристическим компьютерам потребуются десятки тысяч кубитов, которые могут взаимодействовать друг с другом. Современные прототипы квантовых компьютеров от Google, IBM и других компаний содержат десятки кубитов, сделанных из технологии, включающей сверхпроводящие схемы, но многие технологи рассматривают кубиты на основе кремния как более перспективные в долгосрочной перспективе.

У кремниевых спиновых кубитов есть несколько преимуществ перед сверхпроводящими кубитами. Спиновые кубиты кремния сохраняют свое квантовое состояние дольше, чем конкурирующие технологии кубитов. Широкое использование кремния в повседневных компьютерах означает, что кубиты на основе кремния могут быть изготовлены по низкой цене.
Задача отчасти связана с тем, что кремниевые спиновые кубиты состоят из одиночных электронов и чрезвычайно малы.

“Проводка или” соединения “между несколькими кубитами – это самая большая проблема на пути к крупномасштабному квантовому компьютеру”, – сказал Джеймс Кларк, директор квантового оборудования в Intel, чья команда строит кремниевые кубиты, используя передовую производственную линию Intel, и который не участвовал в исследовании. “Команда Джейсона Петты проделала большую работу, чтобы доказать, что спиновые кубиты могут быть связаны на больших расстояниях.”

Для этого команда Принстона соединила кубиты через «провод», который несет свет способом, аналогичным оптоволоконным проводам, которые доставляют интернет-сигналы в дома. В этом случае, однако, провод на самом деле представляет собой узкую полость, содержащую одну частицу света или фотон, которая берет сообщение с одного кубита и передает его на следующий кубит.

Два кубита были расположены на расстоянии около половины сантиметра или около длины рисового зерна. Чтобы представить это в перспективе, если бы каждый кубит был размером с дом, он мог бы отправить сообщение другому кубиту, расположенному в 1000 км.

Ключевым шагом вперед был поиск способа заставить кубиты и фотон говорить на одном языке, настроив все три на вибрацию на одной частоте. Команде удалось настроить оба кубита независимо друг от друга, но при этом связать их с фотоном. Ранее архитектура устройства допускала соединение только одного кубита с фотоном за раз.

“Вы должны сбалансировать энергии кубитов на обеих сторонах чипа с энергией фотонов, чтобы заставить все три элемента общаться друг с другом”, – сказал Феликс Боржанс, аспирант и первый автор исследования. “Это была действительно сложная часть работы”.

Каждый кубит состоит из одного электрона, захваченного в крошечной камере, называемой двойной квантовой точкой. Электроны обладают свойством, известным как вращение, которое может указывать вверх или вниз способом, аналогичным стрелке компаса, которая указывает на север или юг. Защелкивая электрон с помощью микроволнового поля, исследователи могут перевернуть спин вверх или вниз, чтобы присвоить кубиту квантовое состояние 1 или 0.

“Это первая демонстрация запутывания электронных спинов в кремнии, разделенных расстояниями, намного превышающими расстояния между устройствами, в которых находятся эти спины”, – сказал Таддеус Лэдд, старший научный сотрудник HRL Laboratories и сотрудник проекта. “Не так давно возникли сомнения относительно того, возможно ли это, из-за противоречивых требований к соединению спинов с микроволнами и избеганию эффектов шумовых зарядов, движущихся в устройствах на основе кремния. Это важное доказательство возможности кремниевых кубитов, потому что оно добавляет значительную гибкость в том, как соединить эти кубиты и как их геометрически расположить в будущих кремниевых «квантовых микрочипах» “.

Связь между двумя удаленными устройствами на основе кремния основана на предыдущей работе исследовательской группы Petta. В статье за ​​2010 год, опубликованной в журнале Science, команда показала, что можно захватывать отдельные электроны в квантовых ямах. В журнале Nature в 2012 году команда сообщила о передаче квантовой информации от электронных спинов в нанопроводах к фотонам микроволновой частоты, а в 2016 году в журнале Science они продемонстрировали способность передавать информацию с заряда-кубита на основе кремния в фотон. Они продемонстрировали обмен информацией в кубитах в 2017 году в науке. И команда показала в 2018 году на природе что кремниевый спиновый кубит может обмениваться информацией с фотоном.

Елена Вукович, профессор электротехники и профессор Дженсена Хуана по глобальному лидерству в Стэнфордском университете, который не принимал участия в исследовании, прокомментировала:

“демонстрация долгосрочных взаимодействий между кубитами имеет решающее значение для дальнейшего развития квантовых технологий, таких как модульные квантовые компьютеры и квантовые сети. Этот захватывающий результат команды Джейсона Петты является важной вехой на пути к этой цели, поскольку он демонстрирует нелокальное взаимодействие между двумя электронными спинами, разделенными более чем 4 миллиметрами, опосредованным микроволновым фотоном. Кроме того, для создания этой квантовой схемы команда использовала кремний и германий – материалы, широко используемые в полупроводниковой промышленности”.

МеткиКвантовая физика

По материалам

new-science.ru

Похожие статьи

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Кнопка «Наверх»
Закрыть
Закрыть