Các kỹ sư Úc đã khám phá ra một phương pháp mới để kiểm soát chính xác các electron đơn lẻ nằm trong các chấm lượng tử chạy các cổng logic. Hơn nữa, cơ chế mới ít cồng kềnh hơn và cần ít bộ phận hơn, điều này có thể chứng minh là thiết yếu để biến máy tính lượng tử silicon quy mô lớn thành hiện thực.
Khám phá tình cờ, được thực hiện bởi các kỹ sư tại công ty khởi nghiệp điện toán lượng tử Diraq và UNSW Sydney, được trình bày chi tiết trên tạp chí Công nghệ nano tự nhiên.
“Đây là một hiệu ứng hoàn toàn mới mà chúng tôi chưa từng thấy trước đây, mà ban đầu chúng tôi không hiểu lắm,” tác giả chính, Tiến sĩ Will Gilbert, kỹ sư bộ xử lý lượng tử tại Diraq, một công ty phụ của UNSW có trụ sở tại Sydney, cho biết. khuôn viên. “Nhưng nó nhanh chóng trở nên rõ ràng rằng đây là một cách mới mạnh mẽ để kiểm soát các spin trong một chấm lượng tử. Và điều đó thật thú vị.”
Cổng logic là khối xây dựng cơ bản của mọi tính toán; chúng cho phép các “bit”—hoặc các chữ số nhị phân (0 và 1)—kết hợp với nhau để xử lý thông tin. Tuy nhiên, một bit lượng tử (hoặc qubit) tồn tại ở cả hai trạng thái này cùng một lúc, một điều kiện được gọi là “sự chồng chất”. Điều này cho phép vô số chiến lược tính toán—một số nhanh hơn theo cấp số nhân, một số hoạt động đồng thời—vượt xa các máy tính cổ điển. Bản thân các qubit được tạo thành từ “chấm lượng tử,” các thiết bị nano siêu nhỏ có thể bẫy một hoặc một vài electron. Kiểm soát chính xác các điện tử là cần thiết để tính toán xảy ra.
Các kỹ sư Diraq đã khám phá ra một cách mới để kiểm soát chính xác các electron đơn lẻ nằm trong các chấm lượng tử chạy các cổng logic, đưa hiện thực đạt được các chip lượng tử hàng tỷ qubit đến gần hơn. Hơn nữa, cơ chế mới ít cồng kềnh hơn và cần ít bộ phận hơn, điều này có thể chứng minh là thiết yếu để biến máy tính lượng tử silicon quy mô lớn thành hiện thực. Tín dụng: Diraq
Sử dụng điện chứ không phải từ trường
Trong khi thử nghiệm các tổ hợp hình học khác nhau của các thiết bị có kích thước chỉ bằng một phần tỷ mét điều khiển các chấm lượng tử, cùng với nhiều loại nam châm cực nhỏ và ăng-ten điều khiển hoạt động của chúng, Tiến sĩ Tuomo Tanttu đã tình cờ phát hiện ra một hiệu ứng kỳ lạ.
Tiến sĩ Tanttu, một kỹ sư đo lường tại Diraq, nhớ lại: “Tôi đang cố gắng vận hành một cổng hai qubit thực sự chính xác, lặp qua nhiều thiết bị khác nhau, hình học hơi khác nhau, ngăn xếp vật liệu khác nhau và kỹ thuật điều khiển khác nhau. “Sau đó, đỉnh kỳ lạ này xuất hiện. Có vẻ như tốc độ quay của một trong các qubit đang tăng lên, điều mà tôi chưa từng thấy trong bốn năm thực hiện các thí nghiệm này.”
Những gì ông đã khám phá ra, các kỹ sư sau đó nhận ra, là một cách mới để điều khiển trạng thái lượng tử của một qubit bằng cách sử dụng điện trường, thay vì từ trường mà họ đã sử dụng trước đây. Kể từ khi phát hiện ra vào năm 2020, các kỹ sư đã hoàn thiện kỹ thuật này—kỹ thuật này đã trở thành một công cụ khác trong kho vũ khí của họ để thực hiện tham vọng xây dựng hàng tỷ qubit trên một con chip của Diraq.
Khái niệm nghệ sĩ về một qubit duy nhất được giữ trong một chấm lượng tử sẽ lật theo phản ứng với tín hiệu vi sóng. Tín dụng: Tony Melov
Gilbert cho biết: “Đây là một cách mới để điều khiển các qubit và chế tạo nó ít cồng kềnh hơn—bạn không cần chế tạo các nam châm siêu nhỏ coban hoặc ăng-ten ngay bên cạnh các qubit để tạo ra hiệu ứng điều khiển”. “Nó loại bỏ yêu cầu đặt các cấu trúc bổ sung xung quanh mỗi cổng. Vì vậy, có ít lộn xộn hơn.”
Điều khiển các electron đơn lẻ mà không làm phiền các electron khác ở gần là điều cần thiết để xử lý thông tin lượng tử trong silicon. Có hai phương pháp đã được thiết lập: “cộng hưởng spin điện tử” (ESR) sử dụng ăng-ten vi sóng trên chip; và cộng hưởng spin lưỡng cực điện (EDSR), dựa trên độ dốc cảm ứng từ trường. Kỹ thuật mới được phát hiện được gọi là “EDSR quỹ đạo quay nội tại”.
Tiến sĩ Tanttu cho biết: “Thông thường, chúng tôi thiết kế ăng-ten vi sóng của mình để cung cấp từ trường thuần túy. “Nhưng thiết kế ăng-ten đặc biệt này tạo ra nhiều điện trường hơn chúng tôi mong muốn—và điều đó hóa ra lại thật may mắn, vì chúng tôi đã phát hiện ra một hiệu ứng mới mà chúng tôi có thể sử dụng để điều khiển các qubit. Đó là sự may mắn đối với bạn.”
Toàn cảnh một trong những phòng thí nghiệm của Diraq ở Sydney, Australia. Tín dụng: Shaun Dougherty
Khám phá đưa máy tính lượng tử silicon đến gần hơn
Giáo sư Andrew Dzurak, Giám đốc điều hành và người sáng lập của Diraq, đồng thời là Giáo sư về Kỹ thuật lượng tử tại UNSW cho biết: “Đây là viên ngọc quý của cơ chế mới, bổ sung vào kho công nghệ độc quyền mà chúng tôi đã phát triển trong 20 năm nghiên cứu vừa qua. , người đã lãnh đạo nhóm xây dựng cổng logic lượng tử đầu tiên bằng silicon vào năm 2015.
Ông nói thêm: “Nó được xây dựng dựa trên công việc của chúng tôi là biến điện toán lượng tử trong silicon thành hiện thực, dựa trên công nghệ thành phần bán dẫn về cơ bản giống như chip máy tính hiện có, thay vì dựa vào các vật liệu kỳ lạ”. “Vì nó dựa trên công nghệ CMOS giống như ngành công nghiệp máy tính ngày nay, nên cách tiếp cận của chúng tôi sẽ giúp việc mở rộng quy mô sản xuất thương mại trở nên dễ dàng và nhanh chóng hơn cũng như đạt được mục tiêu của chúng tôi là chế tạo hàng tỷ qubit trên một chip đơn".
CMOS (hay chất bán dẫn oxit kim loại bổ sung, phát âm là “see-moss”) là quy trình chế tạo cốt lõi của máy tính hiện đại. Nó được sử dụng để chế tạo tất cả các loại thành phần mạch tích hợp—bao gồm bộ vi xử lý, bộ vi điều khiển, chip bộ nhớ và các mạch logic kỹ thuật số khác, cũng như các mạch tương tự như cảm biến hình ảnh và bộ chuyển đổi dữ liệu.
Hình minh họa một qubit đơn lẻ khi ir bắt đầu tăng tốc để đáp ứng với tín hiệu vi sóng và electron bắt đầu kêu lạch cạch bên trong chấm lượng tử. Tín dụng: Tony Melov
Chế tạo máy tính lượng tử được gọi là “cuộc đua không gian của thế kỷ 21”—một thách thức khó khăn và đầy tham vọng với khả năng cung cấp các công cụ mang tính cách mạng để giải quyết các phép tính bất khả thi, chẳng hạn như thiết kế các loại thuốc phức tạp và vật liệu tiên tiến, hoặc tìm kiếm nhanh chóng. của cơ sở dữ liệu lớn, chưa được sắp xếp.
Dzurak nói: “Chúng tôi thường nghĩ hạ cánh trên Mặt trăng là một kỳ tích công nghệ vĩ đại nhất của nhân loại. “Nhưng sự thật là, các chip CMOS ngày nay—với hàng tỷ thiết bị điều hành được tích hợp với nhau để hoạt động như một bản giao hưởng và bạn có thể mang theo trong túi—đó là một thành tựu kỹ thuật đáng kinh ngạc và là một thành tựu đã cách mạng hóa cuộc sống hiện đại. Điện toán lượng tử cũng sẽ gây kinh ngạc không kém.”
nguồn: Phương pháp điều khiển spin mới đưa chip lượng tử tỷ qubit đến gần hơn
