Квантовой прыжок: как атомные ядра «разговоры» внутри кремниевых чипсов, просьба для масштабируемых квантовых компьютеров | News & Environment News

Вашингтон, округ Колумбия: Инженеры обнаружили, как сделать атомные ядра «разговор» внутри кремниевых чипсов, открыв дверь на масштабируемые квантовые компьютеры.

Исследователи из Университета Южного Уэльса (UNSW) нашли способ, чтобы атомные ядра общались через электроны, позволяя им достичь запутывания в масштабах, используемых в современных компьютерных чипах. Этот прорыв приносит квантовые вычисления на кремниевые основы на кремниевые основы гораздо ближе к реальности.

Инженеры UNSW добились значительного прогресса в квантовых вычислениях: они создали «квантовые запутанные состояния», где две отдельные частицы становятся настолько глубоко связанными, что больше не ведут себя независимо, используя спины двух атомных ядер.

Такие состояния запутывания являются ключевым ресурсом, который дает квантовым компьютерам свое преимущество над обычными.

Исследование было опубликовано 18 сентября в журнале Science и является важным шагом к созданию крупномасштабных квантовых компьютеров – одной из самых захватывающих научных и технологических проблем 21 -го века.

Ведущий автор доктор Холли Слемп говорит, что достижение раскрывает потенциал для создания будущих микрочипов, необходимых для квантовых вычислений с использованием существующих технологий и производственных процессов.

«Нам удалось сделать самые чистые, большинство изолированных квантовых объектов разговаривать друг с другом, в том масштабе, в котором в настоящее время изготовлены стандартные кремниевые электронные устройства», – говорит она.

Задача, стоящая перед квантовыми компьютерными инженерами, заключалась в том, чтобы сбалансировать две противоположные потребности: защита вычислительных элементов от внешних помех и шума, в то же время позволяя им взаимодействовать для выполнения значимых вычислений.

Вот почему в гонке есть так много различных типов аппаратного обеспечения, чтобы быть первым эксплуатационным квантовым компьютером: некоторые очень хороши для выполнения быстрых операций, но страдают от шума; Другие хорошо защищены от шума, но трудно работать и масштабировать.

Команда UNSW инвестировала в платформу, которая – до сегодняшнего дня – может быть помещена во второй лагерь. Они использовали ядерное вращение атомов фосфора, имплантированного в кремниевую чип, для кодирования квантовой информации.

«Скручивание атомного ядра является самым чистым, наиболее изолированным квантовым объектом, который можно найти в твердом состоянии», – говорит профессор Scientia Andrea Morello, Школа электротехники и телекоммуникаций UNSW.

«За последние 15 лет наша группа впервые разработала все прорывы, которые сделали эту технологию реальным претендентом в гонке квантовых вычислителей. Мы уже продемонстрировали, что мы могли бы хранить квантовую информацию более 30 секунд – вечность в квантовом мире – и выполнять квантовые логические операции с менее чем 1% ошибками», – сказал Морелло.

«Мы были первыми в мире, которые достигли этого в кремниевом устройстве, но все это произошло по цене: та же изоляция, которая делает атомные ядра настолько чистыми, что затрудняет соединение их вместе в крупномасштабном квантовом процессоре»,-добавил Морелло.

До сих пор единственным способом работы с несколькими атомными ядрами было размещение очень близко к твердому телу и окружены одним и тем же электроном.

«Большинство людей считают электрон как самую крошечную субатомную частицу, но квантовая физика говорит нам, что он способен« распространять »в космосе, чтобы она мог взаимодействовать с множественными атомными ядрами», – говорит доктор Холли Стмп, который проводил это исследование в UNSW и теперь является научным исследователем в MIT в MIT в Бостоне.

«Несмотря на это, диапазон, в котором может распространяться электрон, довольно ограничен. Более того, добавление большего количества ядер к одному электрону делает очень сложно контролировать каждое ядро индивидуально», – добавил доктор Холли.

«В связи с метафорой можно было бы сказать, что до сих пор ядра были похожи на людей, помещенных в звукоизолирующую комнату»,-говорит доктор Холли.

Она продолжила: «Они могут разговаривать друг с другом, пока все они находятся в одной комнате, и разговоры действительно ясны. Но они ничего не слышат снаружи, и есть только так много людей, которые могут вписаться в комнату. Этот режим разговора не« масштабирует »,», «масштаб», «масштаб», «масштаб», «масштаб»

«С этим прорывом, как будто мы давали людям телефоны для общения с другими комнатами. Все комнаты все еще хороши и тихие внутри, но теперь мы можем поговорить между большим количеством людей, даже если они далеко».

«Телефон», на самом деле, электроны. Марк Ван Бланкенштейн, другой автор на газете, объясняет, что на самом деле происходит на субтомическом уровне.

«Из -за их способности распространяться в космосе два электрона могут« касаться »друг друга на некотором расстоянии. И если каждый электрон напрямую связан с атомным ядром, ядра могут общаться через это».

«Расстояние между нашими ядрами составляло около 20 нанометров – одна тысяческая ширина человеческих волос», – говорит доктор Стемеп.

«Это не так много, но подумайте об этом: если мы масштабируем каждое ядро до размера человека, расстояние между ядрами будет примерно таким же, как и между Сиднеем и Бостоном!» Добавлен доктор Слемем.

Она добавляет, что 20 нанометров – это шкала, в которой современные кремниевые компьютерные чипы регулярно производятся для работы на персональных компьютерах и мобильных телефонах.

Несмотря на экзотический характер экспериментов, исследователи говорят, что эти устройства остаются принципиально совместимыми с тем, как строятся все текущие компьютерные чипы. Атомы фосфора были введены в чип командой профессора Дэвида Джеймисона в Мельбурнском университете с использованием силиконовой плиты с ультрачистой силиконовой плитой, поставленной профессором Кохей Ито в Университете Кейо в Японии.

Удаляя необходимость в том, чтобы атомные ядра были прикреплены к одному и тому же электрону, команда UNSW отметала самый большой блокпон для масштабирования квантовых компьютеров кремния на основе атомных ядер.