Full kontroll over en seks-qubit kvanteprosessor i silisium

Forskere ved QuTech – et samarbeid mellom Delft University of Technology og TNO – har konstruert et rekordantall på seks silisiumbaserte spinn-qubits i en fullstendig interoperabel matrise. Viktigere er at qubitene kan opereres med en lav feilrate som oppnås med en ny brikkedesign, en automatisert kalibreringsprosedyre og nye metoder for qubit-initialisering og avlesning. Disse fremskrittene vil bidra til en skalerbar kvantedatamaskin basert på silisium. Resultatene er publisert i Natur i dag.

Ulike materialer kan brukes til å produsere qubits, kvanteanalogen til biten til den klassiske datamaskinen, men ingen vet hvilket materiale som vil vise seg å være best for å bygge en storskala kvantedatamaskin. Til dags dato har det kun vært mindre demonstrasjoner av silisium kvantebrikker med høykvalitets qubit-operasjoner. Nå har forskere fra QuTech, ledet av prof. Lieven Vandersypen, produsert en seks qubit-brikke i silisium som opererer med lave feilrater. Dette er et stort skritt mot en feiltolerant kvantedatamaskin som bruker silisium.

For å lage qubits plasseres individuelle elektroner i en lineær rekke på seks “kvanteprikker” med en avstand på 90 nanometer fra hverandre. Arrayen av kvanteprikker er laget i en silisiumbrikke med strukturer som ligner transistoren – en vanlig komponent i hver databrikke. En kvantemekanisk egenskap kalt spinn brukes til å definere en qubit med dens orientering som definerer 0 eller 1 logisk tilstand. Teamet brukte finjustert mikrobølgestråling, magnetiske felt og elektriske potensialer for å kontrollere og måle spinnene til individuelle elektroner og få dem til å samhandle med hverandre.

“Kvantedatautfordringen i dag består av to deler,” forklarte førsteforfatter Stephan Philips. “Å utvikle qubits som er av god nok kvalitet, og utvikle en arkitektur som gjør at man kan bygge store systemer med qubits. Arbeidet vårt passer inn i begge kategoriene. Og siden det overordnede målet med å bygge en kvantedatamaskin er en enorm innsats, tror jeg det er rettferdig å si at vi har gitt et bidrag i riktig retning.”

Elektronets spinn er en delikat egenskap. Små endringer i det elektromagnetiske miljøet får spinnretningen til å svinge, og dette øker feilraten. QuTech-teamet bygde på sin tidligere erfaring med å konstruere kvanteprikker med nye metoder for å forberede, kontrollere og lese spinntilstandene til elektroner. Ved å bruke dette nye arrangementet av qubits kunne de lage logiske porter og sammenfiltre systemer med to eller tre elektroner, på forespørsel.

Kvantematriser med over 50 qubits har blitt produsert ved bruk av superledende qubits. Det er imidlertid den globale tilgjengeligheten av silisiumteknisk infrastruktur som gir silisiumkvanteenheter løftet om enklere migrering fra forskning til industri. Silisium gir visse tekniske utfordringer, og frem til dette arbeidet fra QuTech-teamet, kunne bare arrays på opptil tre qubits konstrueres i silisium uten å ofre kvaliteten.

“Denne artikkelen viser at med omhyggelig konstruksjon er det mulig å øke silisiumspinn-qubit-antallet samtidig som man holder samme presisjon som for enkelt-qubits. Nøkkelbyggesteinen utviklet i denne forskningen kan brukes til å legge til enda flere qubits i de neste iterasjonene av studie,” sa medforfatter Dr. Mateusz Madzik.

“I denne forskningen skyver vi rammen for antall qubits i silisium, og oppnår høy initialiseringstrohet, høy utlesningsfidelitet, høy single-qubit gatefidelitet og høy to-qubit statstroskap,” sa prof. Vandersypen. “Det som virkelig skiller seg ut er at vi demonstrerer alle disse egenskapene sammen i ett enkelt eksperiment på et rekordantall qubits.”

---

---