Im Rennen um den Bau von Hardware für Quantencomputer beginnt Silizium zu glänzen

Siliziumbasiertes Gerät in der Entwicklung für den Einsatz in Quantencomputern. Die in Blau, Rot und Grün dargestellten Gate-Elektroden werden verwendet, um die Potentiale von Quantenpunkten zu definieren, während der Mikromagnet oben einen Magnetfeldgradienten bereitstellt. Das Bild wurde mit einem Rasterelektronenmikroskop aufgenommen, und die Farben wurden zur Verdeutlichung aufgetragen. Bildnachweis: Adam Mills, Princeton University

Die von Physikern der Princeton University durchgeführte Forschung ebnet den Weg für den Einsatz von siliziumbasierten Technologien im Quantencomputing, insbesondere als Quantenbits – die Grundeinheiten des Quantencomputings. Diese Forschung verspricht, den Einsatz der Siliziumtechnologie als praktikable Alternative zu anderen Quantencomputertechnologien wie Supraleitern oder eingefangenen Ionen zu beschleunigen.

In einer in der Zeitschrift veröffentlichten Studie Wissenschaftliche FortschrittePrinceton-Physiker verwendeten zweiQubit ein Silizium-Quantengerät zur Erzielung beispielloser Wiedergabetreue. Mit über 99 Prozent ist dies die höchste Wiedergabetreue, die jemals für ein Zwei-Qubit-Halbleitergatter erreicht wurde, und liegt auf Augenhöhe mit den besten Ergebnissen konkurrierender Technologien. Treue, die ein Maß für die Fähigkeit von Qubits ist, fehlerfreie Operationen durchzuführen, ist ein Schlüsselmerkmal bei der Suche nach der Entwicklung praktischer und effizienter Quantencomputer.

Forscher auf der ganzen Welt versuchen herauszufinden, welche Technologien – wie z supraleitende Ellengefangene Ionen oder Silizium-Spin-Ellen zum Beispiel – lassen sich am besten als Basiseinheiten verwenden Quanten-Computing. Und, ebenso wichtig, forschen Forscher daran, welche Technologien sich für die kommerzielle Nutzung am effektivsten steigern lassen.

„Silizium-Spin-Qubits gewinnen an Dynamik [in the field]sagte Adam Mills, Doktorand der Physik an der Princeton University und Hauptautor einer kürzlich erschienenen Studie “Es sieht insgesamt nach einem großen Jahr für Silizium aus.”

Mithilfe eines Siliziumgeräts namens Doppelquantenpunkt konnten die Forscher von Princeton zwei Elektronen einfangen und sie zur Wechselwirkung zwingen. Der Spinzustand jedes Elektrons kann als Qubit verwendet werden, und die Wechselwirkung zwischen den Elektronen kann diese Qubits verschränken. Diese Operation ist für Quantencomputer von entscheidender Bedeutung, und das Forschungsteam unter der Leitung von Jason Pete, Physikprofessor bei Eugene Higgins in Princeton, konnte diese Interlacing-Operation mit einer Genauigkeit von über 99,8 Prozent durchführen.

Qubit ist, einfach ausgedrückt, eine Quantenversion des Computerbits, der kleinsten Dateneinheit in einem Computer. Wie sein klassisches Gegenstück ist Qubit mit Informationen codiert, die einen Wert von eins oder null haben können. Aber im Gegensatz zu Bits sind Qubits in der Lage, die Konzepte der Quantenmechanik zu nutzen, sodass sie Aufgaben ausführen können, die klassische Bits nicht können.

„Sie können Nullen und Einsen in Qubits codieren, aber Sie können auch Überlagerungen dieser Nullen und Einsen haben“, sagte Mills. Das bedeutet, dass jedes Qubit gleichzeitig null und eins sein kann. Dieses als Superposition bezeichnete Konzept ist eine grundlegende Qualität der Quantenmechanik und eine, die es Qubits ermöglicht, Operationen durchzuführen, die erstaunlich und fremdartig aussehen. In der Praxis verschafft es dem Quantencomputer einen größeren Vorteil gegenüber herkömmlichen Computern, um beispielsweise sehr große Zahlen zu faktorisieren oder die optimale Lösung eines Problems zu isolieren.

Der „Spin“ in Spin-Qubits ist der Drehimpuls eines Elektrons. Es ist eine Quanteneigenschaft, die sich als winziger magnetischer Dipol manifestiert, der zur Codierung von Informationen verwendet werden kann. Das klassische Analogon ist die Kompassnadel, die einen Nord- und Südpol hat und sich dreht, um sich mit dem Magnetfeld der Erde auszurichten. Quantenmechanisch kann der Spin des Elektrons mit dem im Labor erzeugten Magnetfeld ausgerichtet sein (Spin-Up), oder antiparallel zum Feld orientiert sein (Spin-Down) oder in der Quantenüberlagerung von Spin-Up und Spin stehen -Nieder. Spin ist eine Eigenschaft des Elektrons, das in Quantengeräten auf Siliziumbasis verwendet wird; Herkömmliche Computer hingegen funktionieren, indem sie die negative Ladung eines Elektrons manipulieren.

Mills argumentierte, dass Silizium-Spin-Qubits im Allgemeinen Vorteile gegenüber anderen Arten von Qubits haben. „Die Idee ist, dass jedes System auf viele Qubits anwachsen muss“, sagte er. „Und im Moment haben andere Qubit-Systeme echte physische Einschränkungen der Skalierbarkeit. Die Größe könnte bei diesen Systemen ein echtes Problem sein. Es gibt nur so viel Platz, in den man diese Dinge stopfen kann.“

Im Vergleich dazu bestehen Silizium-Spin-Qubits aus einzelnen Elektronen und sind extrem klein.

„Unsere Geräte haben nur einen Durchmesser von etwa 100 Nanometern, während das herkömmliche supraleitende Qubit einen Durchmesser von mehr als 300 Mikrometern hat. Wenn Sie also viel auf dem Chip tun wollen, wird es schwierig, den supraleitenden Ansatz zu verwenden“, sagte Petta.

Ein weiterer Vorteil von Silizium-Spin-Qubits, fügte Petta hinzu, sei, dass die herkömmliche Elektronik heute auf Siliziumtechnologie basiere. „Unser Gefühl ist, dass, wenn Sie wirklich eine Million oder zehn Millionen Qubits herstellen wollen, die benötigt werden, um etwas Praktisches zu tun, dies nur in einem soliden System geschehen wird, das mit der Standard-Halbleiterindustrie skaliert werden kann. “

Die Verwaltung von Spin-Qubits – wie auch anderer Arten von Qubits – mit hoher Wiedergabetreue war jedoch eine Herausforderung für Forscher.

„Einer der Engpässe für die Spin-Qubit-Technologie ist, dass die Loyalität des Zwei-Qubit-Gatters bis vor kurzem nicht so hoch war“, sagte Petta. “In den meisten Experimenten lag sie deutlich unter 90 Prozent.”

Aber es war eine Herausforderung, von der Petta und Mills und das Forschungsteam glaubten, dass sie erreicht werden könnte.

Um das Experiment durchzuführen, mussten die Forscher zunächst ein Elektron einfangen – keine leichte Aufgabe.

„Wir fangen ein Elektron ein, ein sehr kleines Teilchen, und wir müssen es in einen bestimmten Bereich des Weltraums bringen und es dann zum Tanzen bringen“, sagte Petta.

Dazu mussten Mills, Petta und ihre Kollegen einen „Käfig“ bauen. Dies geschah in Form eines plattenförmigen Halbleiters, der hauptsächlich aus Silizium bestand. Auf dem Höhepunkt modelte das Team ein wenig Elektroden, die das elektrostatische Potential erzeugt, das zum Einschließen von Elektronen verwendet wird. Zwei dieser Käfige zusammen, getrennt durch eine Barriere oder ein Tor, bildeten einen doppelten Quantenpunkt.

„Wir haben zwei Spins, die sich an benachbarten Orten nebeneinander befinden“, sagte Petta. „Indem wir die Spannung an diesem Gate anpassen, können wir die Elektronen sofort zusammendrücken und sie zur Wechselwirkung bringen. Es wird als Zwei-Qubit-Gate bezeichnet.“

Die Wechselwirkung bewirkt, dass sich jedes Spin-Qubit gemäß dem Zustand seiner benachbarten Spin-Qubits entwickelt, was zu Interferenzen mit Quantensystemen führt. Die Forscher konnten diese Zwei-Qubit-Interaktion mit einer Wiedergabetreue von über 99 Prozent durchführen. Bis heute ist dies die höchste Genauigkeit für das Zwei-Qubit-Gate, die jemals in Spin-Qubits erreicht wurde.

Petta sagte, die Ergebnisse dieses Experiments legten diese Technologie fest –Silizium Spin-Qubits – auf Augenhöhe mit den besten Ergebnissen anderer wichtiger konkurrierender Technologien. “Diese Technologie befindet sich auf einem zunehmenden Niveau”, sagte er, “und ich denke, es ist nur eine Frage der Zeit, bis sie supraleitende Systeme überholt.”

„Ein weiterer wichtiger Aspekt dieses Dokuments“, fügte Petta hinzu, „ist, dass es nicht nur eine Demonstration ist Hi-Fi ein Zwei-Qubit-Gate, aber dieses Gerät kann alles. Dies ist die erste Demonstration eines Halbleiter-Spin-Qubit-Systems, in das wir systemweite Leistung integriert haben – Zustandsvorbereitung, Lesen, Einzel-Qubit-Steuerung, Zwei-Qubit-Steuerung – alles mit Leistungsmetriken, die den Schwellenwert überschreiten, den Sie benötigen, um ein größeres System zum Laufen zu bringen .”

Neben Mills und Pette umfasste die Arbeit die Bemühungen der Princeton-Doktoranden Charles Guinn und Mayer Feldman sowie des Assistenzprofessors für Elektrotechnik an der University of Pennsylvania, Anthony Sigillit. An der Arbeit und Forschung beteiligten sich Michael Gullans, Department of Physics, Princeton University and the Center for Quantum Information and Computer Science am NIST / University of Maryland, und Erik Nielsen von den Sandia National Laboratories, Albuquerque, New Mexico.


Der verschränkte Zustand von drei Qubits wird in einer vollständig kontrollierten Reihe von Spin-Qubits in Silizium realisiert


Mehr Informationen:
Adam R. Mills et al., Zwei-Qubit-Silizium-Quantenprozessor mit über 99 % Genauigkeit Wissenschaftliche Fortschritte (2022). DOI: 10.1126 / sciadv.abn5130

Zitat: Im Rennen um den Bau von Quantencomputing-Hardware beginnt Silizium zu glänzen (2022, 6. April) 6. April 2022 mitgenommen

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