150.000 Qubits auf einem Siliziumchip erzeugt: Der erste optische Nachweis eines einzelnen Spins erscheint in der Natur

Quantencomputer können theoretisch Probleme lösen, die klassische Computer Milliarden von Jahren lang nicht lösen können, aber nur, wenn sie über genügend Qubits verfügen. Kürzlich haben Forscher der Simon Fraser University mehr als 150.000 Qubits auf Siliziumbasis auf einem einzigen Chip erstellt. Sie sollen mit Licht verbunden werden und so zur Entwicklung leistungsstarker Quantencomputer beitragen, die mit dem Quanteninternet verbunden sind.

Der dazugehörige Artikel „Optical Observation of Single Spins in Silicon“ ist in der neuesten Ausgabe des Magazins „Nature“ erschienen.

Papieradresse: https://www.nature.com/articles/s41586-022-04821-y

Eines der besten natürlichen Qubits in der Natur: Silizium-Spin

Wir wissen dass klassische Computer Daten als 1 oder 0 darstellen, indem sie Transistoren ein- oder ausschalten. Im Gegensatz dazu verwenden Quantencomputer Qubits. Und aufgrund der surrealen Natur der Quantenphysik können Qubits in Überlagerungszuständen existieren, in denen sie im Wesentlichen gleichzeitig 1 und 0 darstellen. Dieses Phänomen ermöglicht es jedem Qubit, zwei Berechnungen gleichzeitig durchzuführen. In einem Quantencomputer steigt die Rechenleistung exponentiell an, je mehr Qubits verbunden oder verschränkt sind.

Derzeit sind Quantencomputer NISQ-Plattformen (Noisy Intermediate Scale Quantum), was bedeutet, dass die Anzahl der Qubits auf ihnen bis zu mehreren Hundert betragen kann. Um sich jedoch für praktische Anwendungen als nützlich zu erweisen, benötigen zukünftige Quantencomputer möglicherweise Tausende von Qubits, um Fehler auszugleichen.

Gleichzeitig werden viele verschiedene Arten von Qubits entwickelt, wie zum Beispiel supraleitende Schaltkreise, elektromagnetisch eingefangene Ionen und gefrorenes Neon. In dieser Studie fanden Forscher heraus, dass Spin-Qubits aus Silizium gute Entwicklungsaussichten im Bereich des Quantencomputings haben könnten.

Stephanie Simmons, eine der Mitautorinnen des Artikels und Quanteningenieurin und außerordentliche Professorin an der Simon Fraser University, sagte: „Siliziumspin ist eines der besten natürlichen Qubits in der Natur.“

Stephanie Simmons

Der Spin in einem Spin-Qubit ist der Drehimpuls eines Teilchens (z. B. eines Elektrons oder eines Atomkerns), der nach oben oder unten zeigen kann, ähnlich wie ein Kompass, der nach Norden oder Süden zeigt. Spin-Qubits können in einem Überlagerungszustand existieren, der gleichzeitig bidirektional positioniert ist.

Silizium-Spin-Qubits gehören zu den stabilsten Qubits, die jemals geschaffen wurden.

Diese Technologie hat theoretisch rasante Fortschritte gemacht, unterstützt durch jahrzehntelange Entwicklungsarbeit der globalen Halbleiterindustrie. Bisher haben Wissenschaftler nur einzelne Spins in Siliziumelektronen gemessen. Dies bedeutet wiederum, dass die einzige Möglichkeit, Spins zu verschränken, elektromagnetisch ist, und dies muss mit Qubits erfolgen, die sehr nahe beieinander liegen, was aus technischer Sicht schwierig zu skalieren ist.

Forscher der Simon Fraser University haben erstmals einen einzelnen Spin in einem Silizium-Qubit optisch nachgewiesen. Simmons glaubt, dass diese Art des optischen Zugangs zu Spin-Qubits eines Tages Licht nutzen könnte, um Qubits auf einem Chip miteinander zu verschränken.

Das neue Spin-Qubit basiert auf Strahlungsschadenszentren, bei denen es sich um interne Defekte im Silizium handelt, die durch Ionenimplantation oder hochenergetische Elektronenstrahlung entstehen.

Konkret können sie als T-Zentren bezeichnet werden, die jeweils aus zwei Kohlenstoffatomen, einem Wasserstoffatom und einem ungepaarten Elektron bestehen.

Jedes T-Zentrum hat einen ungepaarten Elektronenspin und einen Wasserstoffkernspin, die jeweils als Qubit dienen können.

Unter diesen kann der Elektronenspin länger als 2 Millisekunden konstant oder stabil bleiben, und der Wasserstoffkernspin kann 1,1 Sekunden lang konstant oder stabil bleiben. Die lange Lebensdauer dieses Silizium-Spin-Qubits ist bereits konkurrenzfähig.

Ein einzelnes Zentrum aus Silizium

Forscher druckten 150.000 Punkte, sogenannte „Mikropucks“, auf kommerzielle, isolierende, siliziumintegrierte photonische Chips nach Industriestandard. Die Breite jeder Mikroscheibe variiert zwischen 0,5 und 2,2 Mikrometern und sie haben alle ein durchschnittliches T-Zentrum.

Unter dem Mikroskop: Tausende Mikroscheiben-Arrays

Unter dem Einfluss eines Magnetfelds hat der Spin-Qubit-Zustand jedes T-Zentrums eine leicht unterschiedliche Energie und jedes emittiert Unterschiedliche Lichtwellenlängen. Dies ermöglicht es Wissenschaftlern, den Zustand des T-Zentrum-Spin-Qubits durch optische Detektion zu erkennen.

Integriertes und optisch gekoppeltes T-Zentrum

Die vom Spin-Qubit emittierte Wellenlänge liegt im nahen Infrarot-O-Band (1260 bis 1360 nm). Dies bedeutet, dass sich Spin-Qubits mit anderen Qubits verbinden können, indem sie Licht aussenden, was häufig in Telekommunikationsnetzen verwendet wird, um in Quantenprozessoren zusammenzuarbeiten und Quantencomputern bei der Zusammenarbeit im Quanteninternet zu helfen.

Darüber hinaus können „elektronische und Kernspin-Qubits zusammenarbeiten – Kernspin als langlebiges Speicher-Qubit und elektronischer Spin als optisch gekoppeltes Kommunikations-Qubit, und Mikrowellenfelder können zum Austausch von Informationen zwischen ihnen verwendet werden“, sagte Simmons . „Kein anderes physikalisches Quantensystem kann Hochleistungsquantenspeicher direkt mit Photonen über große Entfernungen verbinden und solche kommerziellen Aussichten aufzeigen. Siliziumchips sind die Top-Plattform für moderne Mikroelektronik und integrierte Photonik.

Zukunftsaussichten

Interessant, Wissenschaftler.“ wussten bereits in den 1970er Jahren von der Existenz von T-Zentren. „Ich weiß nicht, warum wir die erste Gruppe waren, die mit der Arbeit an T-Zentren als Qubits auf Siliziumchips begann“, sagte Simmons. „Möglicherweise glauben Forscher, dass Spin-Light-Qubits in Siliziumchips nicht mit Kandidaten in anderen Materialien wie Diamant und Siliziumkarbid konkurrieren können. Das ist uns ein Rätsel

Aber die aktuelle Forschung zeigt neue Perspektiven.“ „Wir sind sehr begeistert von der grundsätzlichen Skalierbarkeit dieser Qubits“, sagte Simmons. „Es ist ein Neuzugang im internationalen Wettlauf um Quantencomputer, und wir glauben, dass die Zukunft sehr vielversprechend ist.“

Obwohl die Forscher in dieser neuen Studie viele Qubits geschaffen haben, „wurden diese noch nicht an einen funktionierenden Quantencomputer angeschlossen.“ . „Simmons fügte hinzu. „Der optische Zugang zu diesen Spins wird die Verkabelung einfacher machen als viele andere Methoden, aber die Technologie ist noch jung und es gibt noch viel zu tun.“

Das obige ist der detaillierte Inhalt von150.000 Qubits auf einem Siliziumchip erzeugt: Der erste optische Nachweis eines einzelnen Spins erscheint in der Natur. Für weitere Informationen folgen Sie bitte anderen verwandten Artikeln auf der PHP chinesischen Website!