Die Entdeckung eines bisher unbekannten Effekts ermöglicht eine kompakte, ultraschnelle Steuerung von Spin-Qubits.
Illustration, die zeigt, wie mehrere Qubits mit dem neuen „intrinsic spin-orbit EDSR“-Prozess gesteuert werden könnten. Bild: Tony Melov.
UNSW Sydney Ingenieure haben eine neue Möglichkeit entdeckt, einzelne Elektronen, die in Quantenpunkten eingebettet sind, die Logikgatter betreiben, präzise zu steuern. Der neue Mechanismus ist auch weniger sperrig und erfordert weniger Teile, was sich als wesentlich erweisen könnte, um große Silizium-Quantencomputer Wirklichkeit werden zu lassen.
Die zufällige Entdeckung, die von Ingenieuren des Quantencomputing-Startups gemacht wurde Dirak und UNSW, wird in der Zeitschrift ausführlich beschrieben Natur Nanotechnologie.
„Dies war ein völlig neuer Effekt, den wir noch nie zuvor gesehen hatten und den wir zunächst nicht ganz verstanden haben“, sagte der Hauptautor Dr. Will Gilbert, ein Quantenprozessor-Ingenieur bei Diraq, einem Spin-off-Unternehmen der UNSW mit Sitz auf dem Campus in Kensington . „Aber es wurde schnell klar, dass dies eine leistungsstarke neue Möglichkeit war, Spins in einem Quantenpunkt zu steuern. Und das war super spannend.“
Logikgatter sind der Grundbaustein aller Berechnungen. Sie ermöglichen es „Bits“ – oder Binärziffern (0 und 1) – zusammenzuarbeiten, um Informationen zu verarbeiten. Allerdings, ein Quanten- Bit (oder Qubit) existiert gleichzeitig in diesen beiden Zuständen – ein Zustand, der als „Überlagerung“ bekannt ist. Dies ermöglicht eine Vielzahl von Rechenstrategien – manche exponentiell schneller, manche gleichzeitig arbeitend – die über klassische Computer hinausgehen. Qubits selbst bestehen aus „Quantenpunkten“ – winzigen Nanogeräten, die ein oder wenige Elektronen einfangen können. Eine genaue Kontrolle der Elektronen ist notwendig, damit die Berechnung stattfinden kann.
Verwendung elektrischer statt magnetischer Felder
Beim Experimentieren mit verschiedenen geometrischen Kombinationen von Geräten, die nur Milliardstel Meter groß sind und Quantenpunkte steuern, zusammen mit verschiedenen Arten von winzigen Magneten und Antennen, die ihre Operationen antreiben, Dr. Tuomo Tanttu für UNSW-Engineering stolperte über einen seltsamen Effekt.
„Ich habe versucht, ein Zwei-Qubit-Gate wirklich genau zu betreiben, indem ich viele verschiedene Geräte, leicht unterschiedliche Geometrien, verschiedene Materialstapel und verschiedene Steuerungstechniken durchlaufen habe“, sagte Dr. Tanttu, der auch Messingenieur bei Diraq ist. „Dann tauchte dieser seltsame Gipfel auf. Es sah so aus, als würde sich die Rotationsrate eines der Qubits beschleunigen, was ich in den vier Jahren der Durchführung dieser Experimente noch nie gesehen hatte.“
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Was er entdeckt hatte, stellten die Ingenieure später fest, war eine neue Methode zur Manipulation des Quantenzustands eines einzelnen Qubits durch die Verwendung elektrischer Felder anstelle der zuvor verwendeten Magnetfelder. Seit der Entdeckung im Jahr 2020 haben die Ingenieure die Technik perfektioniert – die zu einem weiteren Werkzeug in ihrem Arsenal geworden ist, um Diraqs Ambitionen zu erfüllen, Milliarden von Qubits auf einem einzigen Chip zu bauen.
„Dies ist eine neue Art, Qubits zu manipulieren, und es ist weniger sperrig zu bauen – Sie müssen keine Kobalt-Mikromagnete oder eine Antenne direkt neben den Qubits herstellen, um den Kontrolleffekt zu erzeugen“, sagte Dr. Gilbert. „Dadurch entfällt die Notwendigkeit, zusätzliche Strukturen um jedes Tor herum zu platzieren. So gibt es weniger Unordnung.“
Die Kontrolle einzelner Elektronen, ohne andere in der Nähe zu stören, ist für die Quanteninformationsverarbeitung in Silizium unerlässlich. Es gibt zwei etablierte Methoden: Elektronenspinresonanz (ESR) mit einer On-Chip-Mikrowellenantenne und elektrische Dipolspinresonanz (EDSR), die auf einem induzierten Gradientenmagnetfeld beruht. Die neu entdeckte Technik ist als „intrinsische Spin-Orbit-EDSR“ bekannt.
„Normalerweise konstruieren wir unsere Mikrowellenantennen, um rein magnetische Felder zu liefern“, sagte Dr. Tanttu. „Aber dieses spezielle Antennendesign erzeugte mehr elektrisches Feld als wir wollten – aber das stellte sich als Glück heraus, weil wir einen neuen Effekt entdeckten, mit dem wir Qubits manipulieren können. Das ist ein glücklicher Zufall für dich.“
Aufbauend darauf, Quantencomputing in Silizium Wirklichkeit werden zu lassen
"Dies ist ein Juwel eines neuen Mechanismus, der den Fundus an proprietärer Technologie, die wir in den letzten 20 Jahren der Forschung entwickelt haben, nur noch erweitert", sagte er Professor Andrew Dzurak, Scientia-Professor für Quantentechnik an der UNSW und CEO und Gründer von Diraq. Professor Dzurak leitete das Team, das die gebaut hat erstes Quantenlogikgatter in Silizium .
„Es baut auf unserer Arbeit auf, Quantencomputing in Silizium Wirklichkeit werden zu lassen, basierend auf im Wesentlichen derselben Halbleiterkomponententechnologie wie bestehende Computerchips, anstatt sich auf exotische Materialien zu verlassen.
Das Forschungsteam: Professor Andrew Dzurak, Dr. Will Gilbert und Dr. Tuomo Tanttu. Foto: Grant Turner.
„Da es auf der gleichen CMOS-Technologie wie die heutige Computerindustrie basiert, wird unser Ansatz die Skalierung für die kommerzielle Produktion einfacher und schneller machen und unser Ziel erreichen, Milliarden von Qubits auf einem einzigen Chip herzustellen.“
CMOS (oder Complementary Metal-Oxide-Semiconductor, ausgesprochen „See-Moos“) ist der Herstellungsprozess im Herzen moderner Computer. Es wird zur Herstellung aller Arten von integrierten Schaltungskomponenten verwendet – einschließlich Mikroprozessoren, Mikrocontrollern, Speicherchips und anderen digitalen Logikschaltungen sowie analogen Schaltungen wie Bildsensoren und Datenwandlern.
Der Bau eines Quantencomputers wurde als „Weltraumrennen des 21. Jahrhunderts“ bezeichnet – eine schwierige und ehrgeizige Herausforderung mit dem Potenzial, revolutionäre Werkzeuge zur Bewältigung ansonsten unmöglicher Berechnungen bereitzustellen, wie z. B. das Design komplexer Medikamente und fortschrittlicher Materialien oder die schnelle Suche von riesigen, unsortierten Datenbanken.
„Wir betrachten die Landung auf dem Mond oft als das größte technologische Wunder der Menschheit“, sagte Professor Dzurak. „Aber die Wahrheit ist, dass die heutigen CMOS-Chips – mit Milliarden von integrierten Betriebsgeräten, die wie eine Symphonie funktionieren und die Sie in Ihrer Tasche tragen – eine erstaunliche technische Errungenschaft sind, die das moderne Leben revolutioniert hat. Quantencomputing wird ebenso erstaunlich sein.“
Quelle: Neues Spin-Control-Verfahren bringt Milliarden-Qubit-Quantenchips näher | UNSW-Newsroom
