Stosowane powszechnie tranzystory mogą utorować drogę ku masowej produkcji komputerów kwantowych
Na całym świecie trwa wyścig, którego celem jest stworzenie komputerów kwantowych, mogących sprostać potrzebom nauki i przemysłu przyszłości. Aby osiągnąć ten cel, skala technologii kwantowej musi ulec zwiększeniu i wykroczyć poza produkcję małoskalowych komputerów kwantowych, które obecnie powstają tylko w kontrolowanych środowiskach akademickich. Jak dotąd przeszkodą w osiągnięciu skalowalności była niestabilność bitów kwantowych, zwanych również kubitami, będących podstawową jednostką informacji w komputerach kwantowych. Zespół badawczy z Uniwersytetu w Kopenhadze w Danii oraz francuski instytut badań technologicznych CEA-Leti zaproponowały nową metodę, która umożliwi przemysłową produkcję procesorów kwantowych opartych na spinie elektronowym. Wspierani przez finansowane ze środków UE projekty QLSI, MOS-QUITO i Spin-NANO naukowcy odkryli, że za kubity mogą posłużyć typowe tranzystory znajdujące się we wszystkich naszych telefonach komórkowych. Wyniki zespołu opublikowano w czasopiśmie „Nature Communications”.
Znaczenie macierzy dwuwymiarowych
Ważnym aspektem tych badań było opracowanie dwuwymiarowej macierzy kropek kwantowych – półprzewodnikowych nanokryształów zdolnych do transportu elektronów. Kropki kwantowe stanowią skuteczne rozwiązanie do kontrolowania spinu pojedynczego elektronu. „Wykazaliśmy, że możemy kontrolować pojedyncze elektrony w każdej z tych kropek kwantowych”, wyjaśnił w artykule zamieszczonym na stronie „Phys.org” główny autor Fabio Ansaloni z Uniwersytetu w Kopenhadze. „Jest to bardzo ważne w kontekście rozwoju kubitu, ponieważ jednym z możliwych sposobów tworzenia kubitów jest wykorzystanie spinu pojedynczego elektronu. Osiągnięcie tego celu w postaci kontrolowania pojedynczych elektronów i dokonanie tego w dwuwymiarowej macierzy kropek kwantowych było więc dla nas bardzo ważne”. Dzięki dwuwymiarowym macierzom można dokonać znacznego postępu w zakresie korygowania błędów w obliczeniach kwantowych.
Skalowalne komputery kwantowe
Badacze używają metody wytwarzania tranzystorów krzemowych do tworzenia kubitów spinowych wykorzystujących krzemowe kropki kwantowe. W swojej pracy „przedstawiają obsadzenia jednoelektronowe we wszystkich czterech kropkach kwantowych urządzenia krzemowego w układzie 2 x 2 z dzielonymi bramkami, wykonanego w całości w procesie odlewania wafla 300 mm”. Jak twierdzą naukowcy w artykule dla „Phys.org”, „po pierwsze konieczna jest produkcja urządzeń w odlewni przemysłowej. Skalowalność nowoczesnego procesu przemysłowego jest nieodzowna, ponieważ zaczynamy tworzyć coraz większe macierze, na przykład dla małych symulatorów kwantowych. Po drugie, przy tworzeniu komputera kwantowego potrzebna jest dwuwymiarowa macierz i sposób na połączenie świata zewnętrznego z każdym kubitem. Jeśli na każdy kubit przypada 4–5 połączeń, szybko otrzymujemy niemożliwą do zrealizowania ilość przewodów wychodzących z konfiguracji niskotemperaturowej. Udało nam się jednak wykazać, że możliwe jest stworzenie układu o stosunku jednej bramki na jeden elektron, z możliwością odczytu i kontroli za pomocą tej samej bramki. Wreszcie, przy użyciu tych narzędzi, byliśmy także w stanie pójść naprzód i zamieniać pojedyncze elektrony w macierzy w kontrolowany sposób, co było wyzwaniem samym w sobie”. Główna autorka wspólnej pracy Anasua Chatterjee z Uniwersytetu w Kopenhadze wykorzystała „hojne finansowanie” UE do realizacji projektów QLSI (Quantum Large Scale Integration in Silicon), MOS-QUITO (Quantum Information TechnOlogy based MOS) oraz Spin-NANO (Nanoscale solid-state spin systems in emerging quantum technologies). „Uzyskanie dwuwymiarowych macierzy to naprawdę ambitny cel, ponieważ zaczyna wyglądać na to, że są one absolutnie konieczne do zbudowania komputera kwantowego”, podsumowała Chatterjee. Więcej informacji: projekt QLSI strona projektu MOS-QUITO strona projektu Spin-NANO
Słowa kluczowe
QLSI, MOS-QUITO, Spin-NANO, komputer kwantowy, kropka kwantowa, kubit, elektron, tranzystor
