_ Experimentul deschide ușa pentru milioane de qubiți pe un cip

Cercetătorii de la Universitatea din Basel și NCCR SPIN au realizat prima interacțiune controlabilă între doi qubiți de spin cu gaură într-un tranzistor de siliciu convențional. Descoperirea deschide posibilitatea de a integra milioane de acești qubiți pe un singur cip folosind procese de fabricație mature.

Cursa pentru a construi un computer cuantic practic este în plină desfășurare. Cercetătorii din întreaga lume lucrează la o mare varietate de tehnologii qubit. Până în prezent, nu există un consens cu privire la tipul de qubit cel mai potrivit pentru maximizarea potențialului științei informației cuantice.

Qubiții reprezintă fundamentul unui computer cuantic: se ocupă de procesarea, transferul și stocarea datelor. . Pentru a funcționa corect, ei trebuie să stocheze în mod fiabil și să proceseze rapid informațiile. Baza procesării rapide a informațiilor este interacțiunile stabile și rapide dintre un număr mare de qubiți ale căror stări pot fi controlate în mod fiabil din exterior.

Pentru ca un computer cuantic să fie practic, milioane de qubiți trebuie să fie acomodați pe un un singur cip. Cele mai avansate calculatoare cuantice de astăzi au doar câteva sute de qubiți, ceea ce înseamnă că pot efectua doar calcule care sunt deja posibile (și adesea mai eficiente) pe computerele convenționale..

Pentru a rezolva problema aranjarii și conectării a mii de de qubits, cercetătorii de la Universitatea din Basel și NCCR SPIN se bazează pe un tip de qubit care utilizează spinul (momentul unghiular intrinsec) al unui electron sau al unei găuri. O gaură este în esență un electron lipsă dintr-un semiconductor.

Atât găurile, cât și electronii posedă spin, care poate adopta una dintre cele două stări: sus sau jos, analog cu 0 și 1 în biții clasici. În comparație cu un spin de electroni, un spin de gaură are avantajul că poate fi controlat în întregime electric, fără a avea nevoie de componente suplimentare, cum ar fi micromagneții pe cip.

Încă din 2022, fizicienii de la Basel au reușit să arate că gaura rotiri dintr-un dispozitiv electronic existent pot fi prinse și utilizate ca qubiți. Aceste „FinFET” (tranzistori cu efect de câmp cu aripioare) sunt încorporate în smartphone-urile moderne și sunt produse în procese industriale pe scară largă. Acum, o echipă condusă de dr. Andreas Kuhlmann a reușit pentru prima dată să obțină o interacțiune controlabilă între doi qubiți în cadrul acestei configurații.

Un computer cuantic are nevoie de „porți cuantice” pentru a efectua calcule. Acestea reprezintă operații care manipulează qubiții și îi cuplează unul cu celălalt. După cum raportează cercetătorii în revista Nature Physics, ei au reușit să cupleze doi qubiți și să producă o întoarcere controlată a unuia dintre rotiri, în funcție de starea de rotație a celuilalt - cunoscut sub numele de rotație controlată.

„Rotirile de găuri ne permit să creăm porți de doi qubiți care sunt atât rapide, cât și de înaltă fidelitate. Acest principiu face acum posibilă cuplarea unui număr mai mare de perechi de qubiți”, spune Kuhlmann.

Cuplarea a doi qubiți de spin se bazează pe interacțiunea lor de schimb, care are loc între două particule indistinse care interacționează între ele electrostatic. În mod surprinzător, energia de schimb a găurilor nu este doar controlabilă electric, ci și puternic anizotropă. Aceasta este o consecință a cuplării spin-orbită, ceea ce înseamnă că starea de spin a unei găuri este influențată de mișcarea sa prin spațiu.

Pentru a descrie această observație într-un model, fizicienii experimentali și teoreticieni de la Universitatea din Basel și NCCR SPIN au combinat forțele. „Anizotropia face posibile porți de doi qubiți fără compromisul obișnuit între viteză și fidelitate”, spune dr. Kuhlmann.

„Qubit-urile bazate pe rotiri ale găurilor nu numai că profită de fabricarea testată și testată a cipurilor de siliciu, ci sunt, de asemenea, foarte scalabile și s-au dovedit a fi rapide și robuste în experimente.” Studiul subliniază că această abordare are o șansă mare în cursa pentru dezvoltarea unui computer cuantic la scară largă.

(Fluierul)