În cursa pentru a construi dispozitive de calcul cuantic, siliciul începe să strălucească

(Știri Nanwerk) într-o cercetare publicată în jurnal progresul științei (Un procesor cuantic de siliciu dual-qubit, cu o precizie de operare de peste 99%), fizicienii de la Princeton au folosit un dispozitiv cuantic de siliciu de 2 qubiți pentru a atinge un nivel de precizie fără precedent.

La peste 99 la sută, aceasta este cea mai mare precizie atinsă până acum pentru o poartă qubit binară semiconductoare și este la egalitate cu cele mai bune rezultate obținute de tehnologiile concurente. Fidelitatea, o măsură a capacității qubitului de a efectua operațiuni fără erori, este o caracteristică cheie în încercarea de a dezvolta calcule cuantice practice și eficiente.

Cercetătorii din întreaga lume încearcă să descopere care tehnologii – cum ar fi qubiții supraconductori, ionii prinși sau qubiții de siliciu de spin, de exemplu – pot fi utilizate cel mai bine ca unități de bază ale calculului cuantic. La fel de important, cercetătorii explorează tehnologii care vor avea potențialul de a se extinde mai eficient pentru uz comercial.

Qubiții de spin ai siliconului câștigă avânt [in the field]a spus Adam Mills, un student absolvent la Departamentul de Fizică al Universității Princeton și autorul principal al studiului publicat recent. „Se simte ca un an mare pentru siliciu în general.”

Folosind un dispozitiv de siliciu numit punct cuantic dublu, cercetătorii de la Princeton au reușit să capteze doi electroni și să-i forțeze să interacționeze. Starea de spin a fiecărui electron poate fi folosită ca un qubit, iar interacțiunea dintre electroni poate lega acești qubiți. Acest proces este esențial pentru calculul cuantic, iar echipa de cercetare, condusă de Jason Petta, profesor de fizică Eugene Higgins la Universitatea Princeton, a reușit să efectueze acest proces încurcat cu un nivel de precizie de peste 99,8 la sută. Un dispozitiv pe bază de siliciu este în curs de dezvoltare pentru a fi utilizat în computerele cuantice. Electrozii de poartă afișați în albastru, roșu și verde sunt utilizați pentru a determina potențialele cuantice de puncte, în timp ce micromagnetul de deasupra oferă un gradient de câmp magnetic. Imaginea a fost realizată cu un microscop electronic cu scanare și au fost aplicate culori pentru claritate. (Foto: Adam Mills, Universitatea Princeton)

Un qubit, în cei mai simpli termeni, este o versiune cuantică a unui bit de computer, care este cea mai mică unitate de date dintr-un computer. La fel ca omologul său clasic, qubiții sunt codificați cu informații care pot avea fie o valoare de unu, fie zero. Dar, spre deosebire de un qubit, un qubit este capabil să exploateze conceptele mecanicii cuantice, astfel încât să poată îndeplini sarcini pe care qubiții convenționali nu le pot.

„În qubiți, puteți codifica unii și zerourile, dar puteți avea și o suprapunere a acestor zerouri și unități”, a spus Mills. Aceasta înseamnă că fiecare qubit poate fi atât zero, cât și unul în același timp. Acest concept, numit suprapunere, este o caracteristică fundamentală a mecanicii cuantice și una care permite qubiților să efectueze aparent alte operații uimitoare și universale. În practică, permite unui computer cuantic să aibă un avantaj mai mare față de computerele convenționale, de exemplu, în analiza unor numere foarte mari sau în izolarea unei soluții optime la o problemă.

„Spinul” într-un qubit de spin este momentul unghiular al unui electron. Este o proprietate cuantică care apare ca un mic dipol magnetic care poate fi folosit pentru a codifica informații. Analogul clasic este un ac de busolă, care are un pol nord și sud și se rotește pentru a se alinia cu câmpul magnetic al Pământului. Din punct de vedere mecanic cuantic, spin-ul unui electron poate fi aliniat cu câmpul magnetic generat în laborator (spin-up), poate fi direcționat antiparalel cu câmpul (spin-down) sau poate fi într-o suprapunere cuantică de spin-up și spin-down. Spinul este o proprietate a electronului valorificat în dispozitivele cuantice pe bază de siliciu; În schimb, computerele convenționale funcționează prin manipularea sarcinii negative a electronului.

În general, Mills a subliniat că qubiții de spin de siliciu au avantaje față de alte tipuri de qubiți. „Ideea este că fiecare sistem ar trebui să se extindă la mulți qubiți”, a spus el. „Și acum, alte sisteme qubit au limitări fizice reale în ceea ce privește scalabilitatea. Mărimea ar putea fi o problemă reală cu aceste sisteme. Există doar atât de mult spațiu în care poți înghesui aceste lucruri.”

Prin comparație, qubiții de spin ai siliciului sunt formați din electroni unici și sunt foarte mici.

„Dispozitivele noastre au o lățime de numai aproximativ 100 de nanometri, în timp ce qubiții supraconductori tradiționali au o lățime de 300 de microni, așa că dacă doriți să faceți mult pe un cip, va fi dificil să utilizați o abordare supraconductivă”, a spus Beta.

Un alt avantaj al qubiților de filare de siliciu, a adăugat Beta, este că electronicele convenționale de astăzi se bazează pe tehnologia cu siliciu. „Sentimentul nostru este că, dacă doriți cu adevărat să generați milionul sau zece milioane de qubiți care vor fi necesari pentru a face ceva practic, acest lucru se va întâmpla doar într-un sistem solid care poate fi extins folosind producția standard de semiconductori.”

Cu toate acestea, operarea qubiților de spin – ca și alte tipuri de qubiți – cu o precizie ridicată a fost o provocare pentru cercetători.

„Unul dintre dezavantajele tehnologiei de spin qubit este că precizia porții de doi qubit până de curând nu era atât de mare”, a spus Beta. „A fost cu mult sub 90% în majoritatea studiilor”.

Dar a fost o provocare pe care Peta, Mills și echipa de cercetare au crezut că poate fi atinsă.

Pentru a efectua experimentul, cercetătorii au trebuit mai întâi să capteze un singur electron – nu o sarcină simplă.

„Captăm un electron, o particulă foarte mică, și trebuie să o mutăm într-o anumită regiune a spațiului și apoi să o facem să danseze”, a spus Beta.

Pentru a face acest lucru, Mills, Peta și colegii lor au trebuit să construiască o „cușcă”. Acesta a luat forma unui semiconductor subțire pe bază de siliciu. În plus, echipa a proiectat electrozi minusculi, care creează potențialul electrostatic folosit pentru a capta electronul. Împreună, două dintre aceste cuști, separate printr-o barieră sau poartă, formează punctul cuantic dublu.

„Avem două cursuri în locații adiacente unul lângă celălalt”, a spus Peta. Reglând tensiunea pe aceste porți, putem împinge temporar electronii împreună și îi putem face să interacționeze. Aceasta se numește o poartă de doi qubiți.

Interacțiunea face ca fiecare qubit sigmoidal să evolueze în funcție de starea qubitilor de spin învecinați, rezultând întricarea în sistemele cuantice. Cercetătorii au reușit să efectueze această interacțiune de doi qubiți cu o precizie de peste 99 la sută. Până în prezent, aceasta este cea mai mare precizie a unei porți de 2 qubiți atinsă vreodată în qubiți de spin.

Rezultatele acestui studiu pun tehnologia – filarea qubits de siliciu – la egalitate cu cele mai bune rezultate obținute de alte tehnologii concurente majore, a spus Beta. „Această tehnologie se află pe o pantă în creștere puternică”, a spus el, „și cred că este doar o chestiune de timp până să depășească sistemele supraconductoare”.

Beta a adăugat: „Un alt aspect important al acestei lucrări este că nu este doar o demonstrație a unei porți de înaltă rezoluție de 2 qubit, ci acest dispozitiv care face totul. Aceasta este prima demonstrație a unui sistem qubit rotativ cu semiconductor în care am combinat performanța întregului sistem – configurarea stării și citirea, controlul cu un singur qubit, controlul cu doi qubiți – toate cu valori de performanță care depășesc pragul de care aveți nevoie pentru a face ca un sistem să funcționeze la o scară mai mare.”