7 Minuten
New electron-mediated entanglement in silicon
UNSW inžinieriai praneša apie svarbų žingsnį link mastelio didinamo silicio pagrindu veikiančio kvantinio skaičiavimo: jie demonstravo valdomą susaistymą tarp dviejų fosforo atomų branduolių grįžtinių sukinių (nuklearinių spinų) silicio plokštelėje, naudodami elektronus kaip tarpininkus. Publikuotas žurnale Science (2025 m. rugsėjo 18 d.), šis eksperimentas parodo, kad atomų branduoliai gali keistis kvantine informacija atstumais ir dydžiais, suderinamais su šiuolaikine puslaidininkių gamyba.
Dailininko vizija: du branduolių spinai, nuotoliniu būdu susaistyti per geometrinį vartą, taikomą per elektroną
Šis pasiekimas sprendžia esminį kompromisą kvantinės aparatūros dizaine. Nukleariniai spinai yra itin gerai izoliuoti nuo triukšmo ir gali saugoti kvantines būsenas (kubitus) dešimtims sekundžių, bet ta izoliacija apsunkina daug kubitų sujungimą. UNSW komanda panaudojo elektronais tarpininkaujančius sąveikos kanalus, kad sujungtų kitaip izoliuotus nuklearinius kubitus, tuo pačiu išlaikydama ilgus koherencijos laikus — tokią derinį iki šiol buvo sunku pasiekti.
Scientific background: nuclear spins, coherence and scale
Nukleariniai spinai yra vienas perspektyviausių ilgalaikiams kubitams. Silicio įrenginiuose, dozuotuose fosforu, kiekvienas fosforo branduolys turi kvantinį spiną, galintį reprezentuoti kubitą. Šie nuklearinių spinų kubitai išsiskiria itin mažu dekoherencijos lygiu: UNSW grupė anksčiau fiksavo koherencijos laikus viršijančius 30 sekundžių silicyje ir vieno kubito loginės operacijos fidelitetą virš 99%. Toks našumas daro nuklearinius spinus patraukliais kaip atminties elementus kvantiniame procesoriuje.
Vis dėlto stipri izoliacija turi ir trūkumų. Norint atlikti daugia-kubitines loginės operacijas ir generuoti susaistymą — neklasikinį ryšį, lemiantį kvantinį pranašumą — kubitai turi bendrauti. Istoriškai nukleariniai spinai buvo sujungiami dalinantis tuo pačiu elektronu: vienas lokalizuotas elektronas, kurio banginė funkcija sutapdavo su keliais gretimais branduoliais. Toks požiūris gali suteikti aiškias, aukšto fideliteto sąveikas, bet jį sunku išplėsti, nes elektrono erdvinis apimtis yra ribota, o daugelio branduolių valdymas per vieną elektroną apsunkina atskirą kubitų adresavimą.
UNSW pažanga sprendžia šį mastelio didinimo smūgį atskiriant saugojimo ir sąveikos roles: branduoliai išlieka stipriai izoliuoti, o elektronai atlieka valdomų komunikacijos kanalų vaidmenį, kuriuos galima judinti, formuoti ir išvesti į tinkamas būsenas naudojant įtampas ir vartų struktūras, suderinamas su silicio technologijomis.
Experiment: electron "telephones" and 20-nanometre separations
Device architecture and fabrication
Demonstracinis įrenginys naudojo tiksliai įterptus fosforo atomus itin gryname silicio substrate ir buvo suprojektuotas su metaliniais vartais, būdingais pažangiam CMOS apdorojimui. Fosforo implantacija buvo atlikta bendradarbiaujant su Melburno universiteto partneriais, o silicio substratą pateikė Keio universiteto partneriai; gamybos žingsniai atitinka procesus, kurie jau yra standartiniai puslaidininkių tyrimų gamyklų praktikoje.
How electrons mediate communication
Užuot priverstų kelis branduolius dalytis vienu griežtai lokalizuotu elektronu, komanda sujungė kiekvieną branduolį su savo elektronu ir tuomet įrengė sąveiką tarp šių elektronų. Elektronai puslaidininkiuose yra kvantiniai objektai, kurie gali erdviškai plėstis ir tarpusavyje sąveikauti. Formuojant elektrono bangines funkcijas su vartų įtampomis ir taikant geometrinį valdymo protokolą (geometrinį vartą, perduodamą per elektrono laipsnį laisvės), tyrėjai leido dviem elektronams persidengti arba paveikti vienas kitą per atstumą.
Kai kiekvienas elektronas yra tiesiogiai susietas su branduoliu, elektronas–elektronas sąveika tampa efektyviu kanalu branduolių tarpusavio komunikacijai. Iš esmės elektronai veikia kaip valdomi "telefonai": vidinė branduolių spinų aplinka lieka rami ir gerai apsaugota, o elektroniniai režimai neša susaistinančias sąveikas tarp nuotolinių nuklearinių kubitų.
Eksperimente branduoliai buvo atskirti maždaug 20 nanometrų atstumu — apie tūkstantąją žmogaus plauko pločio dalį. Nors absoliučiai tai nedidelis atstumas, jis yra panašus į šiandien naudojamus komercinių silicio tranzistorių bruožų dydžius ir visiškai prieinamas šiuolaikinei litografijai bei implantavimo tikslumo metodams.
Key findings and implications for scalable quantum processors
Pagrindinis rezultatas yra susaistytų nuklearinių spinų būsenų sukūrimas tarp dviejų fosforo branduolių, esančių 20 nm atstumu, naudojant elektronais tarpininkaujančius geometrinius vartus. Šis susaistymas yra svarbus išteklius kvantiniams algoritmams ir klaidų taisymui.
Kadangi nukleariniai kubitai išlieka izoliuoti ilgą laiką, šis požiūris išsaugo puikias kvantinės atminties savybes, tuo pačiu leidžiant kontroliuojamas dviejų kubitų sąveikas, kai to reikia. Elektronai veikia kaip greiti, reguliuojami tarpininkai: juos galima perkelti arba rekonfigūruoti elektriškai, leidžiant dinamiškai įjungti arba išjungti sąveikas. Toks valdymo lygis yra esminis mastelio didinimui iki šimtų tūkstančių ar milijonų kubitų, reikalingų atspariems klaidoms kvantiniams procesoriams.
Eksperimentas pašalina svarbų architektūrinį apribojimą: nukleariniams kubitams nebėra būtina dalytis vienu elektronu, kad jie sąveikautų. Vietoj to, sujungimas gali būti užtikrintas tarp nepriklausomai valdomų elektronas–branduolys vienetų. Tokia moduliari struktūra gerai dera su plokštelių lygio puslaidininkių gamyba ir rodo, kad trilijonų dolerių pramoninė puslaidininkių gamybos bazė galėtų būti pritaikyta gaminti silicio kvantinius procesorius, sudarytus iš nuklearinių spinų blokų.
Technical advantages and remaining challenges
Privalumai:
- Ilgi koherencijos laikai: nukleariniai spinai suteikia tvirtą kvantinę atmintį, tinkamą klaidų taisymo architektūroms.
- Suderinamumas su silicio fabrikais: įrenginio matmenys (~20 nm) atitinka šiuolaikinius tranzistorių bruožų dydžius, palengvindami integraciją.
- Elektrinis elektronų valdymas: elektronus lengva judinti ir formuoti elektrostatiniu būdu, leidžiant greitas vartų operacijas ir selektyvų sujungimą.
Iššūkiai, kuriuos reikia spręsti:
- Išplėsti šią dviejų kubitų demonstraciją iki daugelių kubitų masyvų ir maršrutizavimo schemų elektronais tarpininkaujančioms jungtims.
- Išlaikyti žemą klaidų lygį daugia-kubitinėse operacijose ir integruoti skaitymo bei valdymo elektroniką dideliu mastu.
- Valdyti kryžminį triukšmą ir kalibravimo sudėtingumą didėjant elektronų tarpininkaujančių jungčių skaičiui.
Related technologies and comparisons
Kiti kubitų platformos variantai — superlaidūs grandynai, spąstuose laikomi jonai, puslaidininkinės kvantinės skylės (quantum dots) ir spalvotieji centrai diamante — kiekvienas skirtingai balansuoja greitį, koherenciją ir mastelį. Superlaidūs kubitai atlieka greitas vartų operacijas, bet reikalauja dilucijos šaldytuvų ir turi koherencijos apribojimų; spąstuose laikomi jonai pasižymi puikia koherencija ir aukšto fideliteto vartais, bet jų integracija į lustų lygį sudėtingesnė. Fosforas silicyje su nukleariniais spiniais sujungia išskirtinę koherenciją su aiškia eiga į CMOS suderinamą gamybą, todėl tai patraukli parinktis kvantinės atminties ir procesorių pagrindui, kartu derinant greitesnius tarpininkinius kubitus.
Kadangi elektronus galima formuoti ir perkelti vartų įtautomis, taip pat galimos hibridinės architektūros: greiti elektrono spino ar kvantiniai taškų kubitai galėtų vykdyti aukšto greičio logiką, o nukleariniai spinai suteiktų ilgalaikę saugyklą ir klaidų taisytą atmintį. UNSW rezultatas padaro šias hibridines schemas praktiškesnes.
Expert Insight
Dr. Lian Park, kvantinės aparatūros specialistas (fiktyvus), komentuoja: "Šis eksperimentas demonstruoja pragmatišką mastelio didinimo kelią: laikykime geriausią kvantinę atmintį tyliai, ir naudokime mobilius elektroninius režimus kaip valdomus ryšius. Techninis iššūkis ateityje yra suprojektuoti maršrutizavimo ir klaidų taisymo sluoksnius, kurie išlaikytų koherenciją ir kartu palaikytų didelio pralaidumo susaistinimo operacijas. Suderinamumas su standartiniu silicio apdirbimu yra didelis privalumas — tai leidžia pasiskolinti dešimtis metų pramoninių žinių kuriant kvantinę aparatūrą."
Path forward and outlook
UNSW komanda pažymi, kad technika yra atspari ir išplečiama. Dviejų elektronų demonstraciją galima apibendrinti pridedant daugiau elektronų arba pailginant elektrono bangines funkcijas, kad būtų sujungiami branduoliai didesnėse zonose. Kadangi elektronus lengva manipuliuoti elektriškai, sujungimo stiprumą ir trukmę galima greitai reguliuoti, leidžiant įgyvendinti vartų sekas, reikalingas kvantiniams algoritmams ir klaidų taisymo kodams.
Artimiausi tikslai apima daugiau kubitų integravimą į linijines ir dvimatės masyvus, pasikartojančių aukšto fideliteto susaistinimo vartų demonstravimą ir suderinamumo su daugialypio nuskaitymo (multiplexed) schemomis įrodymą. Ilgesnio laikotarpio tikslai orientuoti į šių blokų surinkimą į klaidoms atsparias modulius, kurias būtų galima išdėstyti plokštelėje.
Conclusion
UNSW demonstracija, kad elektronai gali tarpininkauti susaistymui tarp nuklearinių spinų silicio dydžio atstumais, yra reikšmingas techninis žingsnis kvantinio skaičiavimo srityje. Derindami ilgas nuklearinių spinų koherencijas su elektriškai valdomu elektronais tarpininkaujančiu sujungimu, tyrėjai pateikia planą, kaip kurti kvantinius procesorius, kurie būtų ir aukšto našumo, ir suderinami su esama puslaidininkių gamyba. Eksperimentas sumažina didelį skirtumą tarp laboratorinių demonstracijų išskirtinės kubito koherencijos ir praktinės inžinerijos, reikalingos didelio masto kvantinėms sistemoms. Ateities darbai bus sutelkti į sujungtų kubitų skaičiaus didinimą, daugia-kubitinių klaidų rodiklių mažinimą ir šių elementų integravimą į architektūras, tinkamas klaidoms atspariam kvantiniam skaičiavimui.
Quelle: sciencedaily
Kommentar hinterlassen