실리콘 칩에 생성된 150,000 큐비트: 단일 스핀에 대한 최초의 광학적 감지가 자연에 나타남

양자 컴퓨터는 이론적으로 기존 컴퓨터가 수십억 년 동안 해결할 수 없었던 문제를 해결할 수 있지만, 큐비트가 충분한 경우에만 가능합니다. 최근 사이먼프레이저대학교 연구진은 단일 칩에 15만 개가 넘는 실리콘 기반 큐비트를 만들어 빛으로 연결해 양자인터넷에 연결된 강력한 양자컴퓨터를 만드는 데 도움을 줄 것으로 예상된다.

관련 논문 "Optical Observation of Single Spins in Silicon"이 "Nature" 매거진 최신호에 게재되었습니다.

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

자연 최고의 천연 큐비트 중 하나: 실리콘 스핀

우리는 알고 있습니다 고전적인 컴퓨터는 트랜지스터를 켜거나 꺼서 데이터를 1이나 0으로 표현합니다. 대조적으로, 양자 컴퓨터는 큐비트를 사용합니다. 그리고 양자 물리학의 초현실적인 특성으로 인해 큐비트는 중첩 상태로 존재할 수 있으며, 여기서 큐비트는 본질적으로 1과 0을 동시에 나타냅니다. 이 현상을 통해 각 큐비트는 두 가지 계산을 동시에 수행할 수 있습니다. 양자 컴퓨터에서는 더 많은 큐비트가 연결되거나 얽힐수록 더 많은 컴퓨팅 성능이 기하급수적으로 증가합니다.

현재 양자 컴퓨터는 시끄러운 중간 규모 양자(NISQ) 플랫폼입니다. 즉, 큐비트 수가 최대 수백 개에 달할 수 있습니다. 그러나 실제 응용 분야에 유용하다는 것을 입증하려면 미래의 양자 컴퓨터에 오류를 취소하는 데 도움이 되는 수천 개의 큐비트가 필요할 수 있습니다.

동시에 초전도 회로, 전자기 트랩 이온, 냉동 네온 등 다양한 유형의 큐비트가 개발되고 있습니다. 이 연구에서 연구원들은 실리콘으로 만들어진 스핀 큐비트가 양자 컴퓨팅 분야에서 좋은 개발 전망을 가질 수 있다는 것을 발견했습니다.

논문의 공동 교신저자 중 한 명이자 사이먼 프레이저 대학의 양자 엔지니어이자 부교수인 스테파니 시몬스는 "실리콘 스핀은 자연에서 가장 뛰어난 천연 큐비트 중 하나입니다."라고 말했습니다.

Stephanie Simmons

스핀 큐비트의 스핀은 북쪽이나 남쪽을 가리키는 나침반과 비슷한 방식으로 위나 아래를 가리킬 수 있는 입자(예: 전자 또는 원자핵)의 각운동량입니다. 스핀 큐비트는 양방향으로 동시에 위치하는 중첩 상태로 존재할 수 있다.

실리콘 스핀 큐비트는 지금까지 만들어진 큐비트 중 가장 안정적인 큐비트 중 하나입니다.

이 기술은 전 세계 반도체 산업의 수십 년간의 개발 노력을 통해 이론적으로 빠르게 발전했습니다. 지금까지 과학자들은 실리콘 전자의 단일 스핀만 측정했습니다. 이는 결국 스핀을 얽히게 하는 유일한 방법은 전자기적으로 이루어지며, 이는 서로 매우 근접한 큐비트를 사용하여 수행되어야 하며 이는 엔지니어링 관점에서 확장하기 어렵다는 것을 의미합니다.

사이먼 프레이저 대학의 연구원들이 처음으로 실리콘 큐비트에서 단일 스핀을 광학적으로 감지했습니다. 시몬스는 스핀 큐비트에 대한 이러한 종류의 광학적 접근이 언젠가는 빛을 사용하여 칩에서 큐비트를 서로 얽힐 수 있다고 믿습니다.

새로운 스핀 큐비트는 이온 주입이나 고에너지 전자 방사선을 사용하여 생성된 실리콘 내부 결함인 방사선 손상 센터를 기반으로 합니다.

구체적으로는 T 센터라고 할 수 있으며, 각각 탄소 원자 2개, 수소 원자 1개, 짝을 이루지 않은 전자 1개로 구성됩니다.

각 T 센터에는 짝을 이루지 않은 전자 스핀과 수소 핵 스핀이 있으며, 각각 큐비트 역할을 할 수 있습니다.

그 중 전자 스핀은 2밀리초 이상 일관되거나 안정적인 상태를 유지할 수 있고, 수소 핵 스핀은 1.1초 동안 일관되거나 안정적인 상태를 유지할 수 있습니다. 이 실리콘 스핀 큐비트의 긴 수명은 이미 경쟁력이 있습니다.

실리콘 단일 센터

연구원들은 상업용 산업 표준 절연 실리콘 통합 광자 칩에 "마이크로퍽"이라고 불리는 150,000개의 도트를 인쇄했습니다. 각 마이크로디스크의 너비는 0.5~2.2미크론이며 모두 평균 T 중심을 가지고 있습니다.

현미경 아래: 수천 개의 마이크로 디스크 어레이

자기장의 영향으로 각 T 센터의 스핀 큐비트 상태는 약간 다른 에너지를 가지며 각각 방출됩니다. 빛의 파장이 다릅니다. 이를 통해 과학자들은 광학 감지를 통해 T 중심 스핀 큐비트의 상태를 감지할 수 있습니다.

통합 및 광학 결합 T 센터

스핀 큐비트에서 방출되는 파장은 근적외선 O 대역(1260~1360nm)에 있습니다. 이는 스핀 큐비트가 통신 네트워크에서 자주 사용되는 빛을 방출하여 다른 큐비트와 연결되어 양자 프로세서 내에서 함께 작동하고 양자 컴퓨터가 양자 인터넷에서 협력하는 데 도움이 될 수 있음을 의미합니다.

추가로, "전자 스핀 큐비트와 핵 스핀 큐비트는 함께 작동할 수 있습니다. 핵 스핀은 수명이 긴 메모리 큐비트이고 전자 스핀은 광학적으로 결합된 통신 큐비트이며, 마이크로파장은 이들 사이의 정보를 교환하는 데 사용될 수 있습니다"라고 Simmons는 말했습니다. . "다른 물리적 양자 시스템은 고성능 양자 메모리를 장거리 광자와 직접 연결하고 이러한 상업적 전망을 보여줄 수 없습니다. 실리콘 칩은 현대 마이크로 전자공학 및 통합 포토닉스를 위한 최고의 플랫폼입니다."

미래 전망

흥미롭게도 과학자들은 말합니다. T센터의 존재는 이미 1970년대에 알고 있었다. Simmons는 “왜 우리가 실리콘 칩의 큐비트로 T 센터에서 작업을 시작한 최초의 그룹인지 모르겠습니다.”라고 말했습니다. "연구자들은 실리콘 칩의 스핀광 큐비트가 다이아몬드나 실리콘 카바이드와 같은 다른 물질의 후보와 경쟁할 수 없다고 믿을 가능성이 있습니다. 이것은 우리에게 미스터리입니다.

그러나 현재 연구는 새로운 전망을 보여줍니다. Simmons는 "우리는 이러한 큐비트의 근본적인 확장성에 매우 기대하고 있습니다."라고 말했습니다. "이것은 국제 양자 컴퓨터 경쟁에 새로운 참가자가 되었고 우리는 미래가 매우 밝다고 생각합니다." "라고 시몬스는 덧붙였다. "이러한 스핀에 대한 광학적 접근은 다른 많은 방법보다 배선을 더 쉽게 만들어 주지만 기술은 아직 초기 단계이고 아직 해야 할 일이 많습니다

."

위 내용은 실리콘 칩에 생성된 150,000 큐비트: 단일 스핀에 대한 최초의 광학적 감지가 자연에 나타남의 상세 내용입니다. 자세한 내용은 PHP 중국어 웹사이트의 기타 관련 기사를 참조하세요!