150,000 qubit dicipta pada cip silikon: pengesanan optik pertama satu putaran muncul dalam Alam

Komputer kuantum secara teorinya boleh menyelesaikan masalah yang tidak dapat diselesaikan oleh komputer klasik selama berbilion tahun, tetapi hanya jika ia mempunyai qubit yang mencukupi. Baru-baru ini, penyelidik dari Universiti Simon Fraser mencipta lebih daripada 150,000 qubit berasaskan silikon pada cip tunggal Mereka dijangka akan disambungkan dengan cahaya, sekali gus membantu mencipta komputer kuantum yang berkuasa yang disambungkan ke Internet kuantum.

Kertas berkaitan "Pemerhatian Optik Putaran Tunggal dalam Silikon" telah diterbitkan dalam terbitan terbaru majalah "Nature".

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

Salah Satu Qubit Semula Jadi Terbaik Alam Semula Jadi: Silicon Spin

Kami tahu bahawa komputer klasik mewakili data sebagai 1 atau 0 dengan menghidupkan atau mematikan transistor. Sebaliknya, komputer kuantum menggunakan qubit. Dan, disebabkan sifat surreal fizik kuantum, qubit boleh wujud dalam keadaan superposisi, di mana ia pada dasarnya mewakili 1 dan 0 secara serentak. Fenomena ini membolehkan setiap qubit melakukan dua pengiraan secara serentak. Dalam komputer kuantum, lebih banyak qubit disambungkan atau terjerat, lebih banyak kuasa pengkomputeran meningkat secara eksponen.

Pada masa ini, komputer kuantum ialah platform kuantum skala pertengahan (NISQ) yang bising, yang bermaksud bilangan qubit padanya boleh mencecah sehingga beberapa ratus. Tetapi untuk membuktikan berguna untuk aplikasi praktikal, komputer kuantum masa hadapan mungkin memerlukan beribu-ribu qubit untuk membantu membatalkan ralat.

Sementara itu, pelbagai jenis qubit sedang dibangunkan, seperti litar superkonduktor, ion terperangkap elektromagnet dan neon beku. Dalam kajian ini, penyelidik mendapati bahawa spin qubit yang diperbuat daripada silikon mungkin mempunyai prospek pembangunan yang baik dalam bidang pengkomputeran kuantum.

Stephanie Simmons, salah seorang pengarang bersama kertas kerja dan jurutera kuantum & profesor bersekutu di Universiti Simon Fraser, berkata, "Putaran silikon ialah salah satu qubit semula jadi yang terbaik di alam semula jadi. ."

Stephanie Simmons

Putaran dalam spin qubit ialah a Momentum sudut zarah (seperti elektron atau nukleus atom), yang membolehkannya menghala ke atas atau ke bawah dengan cara yang serupa dengan jarum kompas yang menghala ke utara atau selatan. Spin qubits boleh wujud dalam keadaan superposisi yang diposisikan secara dua arah secara serentak.

Kubit putaran silikon adalah antara qubit paling stabil yang pernah dicipta. Teknologi ini telah berkembang pesat dalam teori, disokong oleh kerja pembangunan selama beberapa dekad oleh industri semikonduktor global. Sehingga kini, saintis hanya mengukur putaran tunggal dalam elektron silikon. Ini seterusnya bermakna bahawa satu-satunya cara untuk mengikat putaran adalah secara elektromagnet, dan ini mesti dilakukan dengan qubit dalam jarak yang sangat dekat antara satu sama lain, yang sukar untuk skala dari perspektif kejuruteraan.

Penyelidik di Universiti Simon Fraser secara optik telah mengesan satu putaran dalam qubit silikon buat kali pertama. Simmons percaya akses optik jenis ini untuk berputar qubit suatu hari nanti boleh menggunakan cahaya untuk menjerat qubit antara satu sama lain pada cip.

Kubit putaran baharu adalah berdasarkan pusat kerosakan sinaran, iaitu kecacatan dalaman dalam silikon yang dicipta menggunakan implantasi ion atau sinaran elektron bertenaga tinggi. Secara khusus, ia boleh dipanggil pusat T, setiap satu terdiri daripada dua atom karbon, satu atom hidrogen dan satu elektron tidak berpasangan.

Setiap pusat T mempunyai putaran elektron tidak berpasangan dan putaran nuklear hidrogen, yang setiap satunya boleh berfungsi sebagai qubit. Antaranya, putaran elektron boleh kekal konsisten atau stabil selama lebih daripada 2 milisaat, dan putaran nukleus hidrogen boleh kekal konsisten selama 1.1 saat. Jangka hayat yang panjang qubit putaran silikon ini sudah kompetitif.

Satu pusat dalam silikon

Para penyelidik mencetak 150,000 titik yang dipanggil "micropucks" pada cip fotonik bersepadu wafer silikon penebat standard industri. Setiap cakera mikro berbeza-beza dari 0.5 hingga 2.2 mikron, dan semuanya mempunyai pusat T purata.

Di bawah mikroskop: susunan beribu-ribu cakera kecil

Di bawah pengaruh medan magnet, keadaan qubit putaran setiap pusat T mempunyai tenaga yang berbeza sedikit, dan setiap satu memancarkan cahaya dengan panjang gelombang yang berbeza. Ini membolehkan saintis mengesan keadaan qubit putaran T-pusat melalui pengesanan optik.

T-Center Bersepadu dan Digandingkan Secara Optik

Panjang gelombang yang dipancarkan oleh spin qubit berada dalam jalur O inframerah dekat (1260 hingga 1360 nm). Ini bermakna bahawa qubit berputar boleh berhubung dengan qubit lain dengan memancarkan cahaya, yang sering digunakan dalam rangkaian telekomunikasi, untuk bekerja bersama dalam pemproses kuantum dan membantu komputer kuantum bekerjasama di internet kuantum.

Selain itu, “kubit putaran elektronik dan nuklear boleh dikendalikan bersama – putaran nuklear sebagai qubit ingatan tahan lama dan putaran elektronik sebagai qubit komunikasi berganding optik, dan boleh digunakan medan bertukar maklumat antara mereka," kata Simmons. "Tiada sistem kuantum fizikal lain yang boleh memautkan memori kuantum berprestasi tinggi secara langsung dengan foton jarak jauh dan menunjukkan prospek komersial sedemikian. Cip silikon ialah platform teratas untuk mikroelektronik moden dan fotonik bersepadu."

Prospek Masa Depan

Menariknya, saintis sudah mengetahui tentang kewujudan pusat T pada tahun 1970-an. "Saya tidak tahu mengapa kami adalah kumpulan pertama yang mula bekerja di pusat T sebagai qubit pada cip silikon, " kata Simmons. "Ada kemungkinan penyelidik percaya bahawa qubit cahaya berputar dalam cip silikon tidak boleh bersaing dengan calon dalam bahan lain seperti berlian dan silikon karbida. Itu adalah misteri kepada kami."

Tetapi penyelidikan semasa menunjukkan prospek baru. "Kami sangat teruja dengan skalabiliti asas qubit ini, " kata Simmons. "Ia menjadi peserta baharu dalam perlumbaan komputer kuantum antarabangsa, dan kami fikir masa depan adalah sangat cerah." namun Disambungkan ke komputer kuantum yang berfungsi," tambah Simmons. "Akses optik kepada putaran ini akan menjadikan pendawaian lebih mudah daripada banyak kaedah lain, tetapi teknologinya masih muda dan masih banyak kerja yang perlu dilakukan."

Atas ialah kandungan terperinci 150,000 qubit dicipta pada cip silikon: pengesanan optik pertama satu putaran muncul dalam Alam. Untuk maklumat lanjut, sila ikut artikel berkaitan lain di laman web China PHP!