8 Minutės
Naujas elektronų mediacijos sukurtas susiejimas silicyje
UNSW inžinieriai praneša apie svarbų žingsnį link mastelio keičiamos, silicio pagrindu veikiančios kvantinės skaičiavimo technologijos: jie demonstravo valdomą susiejimą tarp dviejų fosforo atomų branduolių spinų silicio luste, naudodami elektronus kaip mediatorius. Publikuotas žurnale Science (2025 m. rugsėjo 18 d.), eksperimentas parodo, kad atomų branduoliai gali keistis kvantine informacija per atstumus ir dydžius, suderinamus su šiuolaikine puslaidininkių gamyba.
Dailininko vizualizacija: du branduolių spinai, nuotoliniu būdu susiejami per geometrinį vartą, taikytą per elektroną
Šis pasiekimas sprendžia esminį kompromisą kvantinės aparatūros dizaine. Branduolių spinai yra ypač gerai izoluoti nuo triukšmo ir gali išlaikyti kvantinius būsenus (kubitus) dešimtis sekundžių, tačiau ta izoliacija apsunkina daugelio kubitų sujungimą. UNSW komanda panaudojo elektronų mediaciją, kad sujungtų kitaip izoliuotus branduolių spinų kubitus ir tuo pačiu išlaikytų ilgą koherencijos laiką — derinys, kurio iki šiol buvo sunku pasiekti.
Mokslinis fonas: branduolių spinai, koherencija ir mastelis
Branduolių spinai yra vienas iš pagrindinių kandidatų ilgaamžiams kubitams. Silicio įrenginiuose, dozuotuose fosforu, kiekvienas fosforo branduolys turi kvantinį spiną, galintį atstovauti kubitą. Šie branduolių spinų kubitai pasižymi itin mažu dekoherencijos lygiu: UNSW grupė anksčiau fiksavo koherencijos laikus, viršijančius 30 sekundžių silicyje, ir pavienių kubitų loginio veikimo fidelitą geresnį nei 99 %. Toks našumas daro branduolių spinus patraukliais kvantinio procesoriaus atminties elementais.
Tačiau stipri izoliacija yra dvipusis peilis. Norint vykdyti daugiakubitinę logiką ir generuoti susiejimą — neklassikinį koreliacijos tipą, būtina, kad kubitai tarpusavyje sąveikautų. Istoriškai branduolių spinai buvo sujungiami dalijantis tuo pačiu elektrono bangos funkcija: vienas lokalizuotas elektronas, kurio bangos funkcija sutapdavo su keliais gretimais branduoliais. Toks požiūris gali suteikti aiškias, didelio fideliteto sąveikas, bet sunkiai masteliauja, nes elektrono erdvinis apimtis yra ribota, o kelių branduolių valdymas per vieną elektroną apsunkina atskirų kubitų adresavimą.
UNSW pažanga sprendžia šį mastelio kliuvinį atskiriant saugojimo ir sąveikos vaidmenis: branduoliai lieka stipriai izoliuoti, o elektronai veikia kaip valdomi ryšio kanalai, kuriuos galima judinti, formuoti ir derinti naudojant įtampas bei vartų struktūras, suderinamas su silicio technologijomis.
Eksperimentas: elektronų "telefonai" ir ~20 nanometrų atstumai
Įrenginio architektūra ir gamyba
Demonstracinis įrenginys naudojo tiksliai įterptus fosforo atomus itin gryname silicio substrate ir buvo suformuotas su metaliniais vartais, būdingais pažangiam CMOS apdorojimui. Fosforo implantavimą atliko bendradarbiai iš Melburno universiteto, o silicio substratą tiekė partneriai iš Keio universiteto; gamybos etapai naudoja procesus, kurie jau yra standartiniai puslaidininkių tyrimų gamyklose.
Kaip elektronai tarpininkauja ryšį
Užuot priverstinai kelis branduolius dalintis vienu stipriai lokalizuotu elektronu, komanda kiekvieną branduolį sujungė su savo elektronu ir tada suprojektavo sąveiką tarp tų elektronų. Elektronai puslaidininkių aplinkoje yra kvantiniai objektai, galintys erdviškai išsiplėsti ir tarpusavyje sąveikauti. Formuodami elektronų bangos funkcijas vartų įtampomis ir taikydami geometrinį valdymo protokolą (geometrinį vartą, perduodamą per elektrono laipsnį laisvės), tyrėjai leido dviem elektronams persidengti arba paveikti vienas kitą iš atstumo.
Kai kiekvienas elektronas tiesiogiai susijungia su branduoliu, elektrono ir elektrono sąveika tampa efektyviu kanalu branduoliui-branduoliui bendravimui. Iš esmės elektronai veikia kaip valdomi "telefonai": vidinis branduolių spino aplinka lieka rami ir gerai apsaugota, o elektroniniai režimai perneša susiejimo sąveikas tarp nuotolinių branduolių kubitų.
Eksperimente branduoliai buvo atskirti maždaug 20 nanometrų — tai apie tūkstantąją žmogaus plauko skersmens dalį. Nors tai mažas atstumas absoliučiais mastais, jis yra panašus į šiuolaikinių komercinių silicio tranzistorių ypatybių dydžius ir gerai pasiekiamas modernios litografijos bei implantavimo technikų.
Pagrindiniai rezultatai ir pasekmės masteliuojamiems kvantiniams procesoriams
Pagrindinis rezultatas yra entropijos neturintis (entangled) branduolių spinų būsenų sukūrimas tarp dviejų fosforo branduolių 20 nm atstumu, panaudojant elektronų mediacinius geometrinius vartus. Toks susiejimas yra esminis išteklius kvantiniams algoritmams ir klaidų taisymui.
Kadangi branduolių kubitai lieka izoliuoti ilgas laikotarpius, metodas išsaugo puikias kvantinės atminties savybes ir tuo pačiu leidžia valdomus dvejų kubitų veiksmus, kai to reikia. Elektronai veikia kaip greiti, reguliuojami mediatoriai: juos galima perstatyti ar pertvarkyti elektriškai, leidžiant sąveikas įjungti ir išjungti dinamiškai. Toks valdymo lygis yra kritiškas, kai siekiama masteliuoti iki šimtų tūkstančių ar milijonų kubitų, numatytų klaidų tolerantiškuose kvantiniuose procesoriuose.
Eksperimentas pašalina svarbų architektūrinį apribojimą: branduolių kubitai nebėra pririšti prie dalijimosi vienu elektronu norint sąveikauti. Vietoje to, sujungimas gali būti nustatytas tarp nepriklausomai valdomų elektronas-branduolys vienetų. Toks moduliškumas gerai atitinka plokštelių masto puslaidininkių gamybos srautus ir rodo, kad trilijono dolerių puslaidininkių gamybos pagrindas galėtų būti pritaikytas gaminti silicinio pagrindo kvantinius procesorius, sudarytus iš branduolių spinų blokelių.
Techninės pranašumai ir likę iššūkiai
Pranašumai:
- Ilgi koherencijos laikai: branduolių spinai suteikia patikimą kvantinę atmintį, tinkamą klaidų taisymo architektūroms.
- Sudėtingumas su silicio fabrikais: įrenginio matmenys (~20 nm) atitinka šiuolaikinių tranzistorių bruožų dydžius, palengvindami integraciją.
- Elektrinis elektronų valdymas: elektronus lengva judinti ir formuoti elektrostatiniu būdu, leidžiant greitą vartų veikimą ir selektyvų sujungimą.
Iššūkiai, kuriuos dar reikia įveikti, apima:
- Šios dviejų kubitų demonstracijos išplėtimas iki daugkubinių masyvų ir maršrutizavimo schemų elektronų mediacijai.
- Žemų klaidų dažnių išlaikymas daugkubinėse operacijose ir integracija su išvedimo bei valdymo elektronika mastu.
- Kryžminio trukdžio (cross-talk) valdymas ir kalibravimo sudėtingumo mažinimas didėjant elektroninių ryšių skaičiui.
Susijusios technologijos ir palyginimai
Kiti kubitų platformų tipai — superlaidūs grandynai, sulaikyti jonai, puslaidininkių kvantinės skyles ir spalviniai centrai deimante — kiekvienas kitaip balansuoja greitį, koherenciją ir mastelį. Superlaidūs kubitai atlieka greitus vartus, bet reikalauja stiprių aušinimo sąlygų ir turi koherencijos apribojimų; sulaikyti jonai siūlo puikią koherenciją ir didelio fideliteto vartus, bet integracija lusto lygyje sudėtingesnė. Fosforas silicyje, kaip branduolių spinų sprendimas, sujungia išskirtinę koherenciją su aiškia kryptimi link CMOS suderinamos gamybos, todėl tai yra patraukli parinktis kvantinės atminties ir procesorių karkasams, derinant su greitesniais mediatoriais-kubitais.
Kadangi elektronus galima formuoti ir perkelti vartų įtampomis, taip pat įmanomi hibridiniai architektūriniai sprendimai: greiti elektronų spinai ar kvantinių taškų kubitai galėtų vykdyti didelio greičio logiką, o branduolių spinai suteiktų ilgalaikę saugyklą ir klaidų taisymo atmintį. UNSW rezultatas dar labiau praktišku padaro tokius hibridinius sprendimus.
Eksperto įžvalga
Dr. Lian Park, kvantinės aparatūros specialistas (fiktyvus), komentuoja: "Šis eksperimentas parodo pragmatišką kelią masteliavimui: laikykite geriausias kvantines atmintis ramias ir naudokite judančius elektroninius režimus kaip valdomus ryšius. Techninis iššūkis — suprojektuoti maršruto ir klaidų taisymo sluoksnius, kurie išsaugotų koherenciją, palaikydami didelės pralaidos susiejimo operacijas. Suderinamumas su standartine silicio apdorojimo technologija yra didelis pranašumas — tai leidžia pasinaudoti dešimtmečių pramonės žiniomis kuriant kvantinę aparatinę įrangą."
Tolesnis kelias ir perspektyvos
UNSW komanda pažymi, kad technika yra patikima ir išplečiama. Dviejų elektronų demonstraciją galima generalizuoti pridedant daugiau elektronų arba pailginant elektronų bangos funkcijas, kad būtų sujungti branduoliai didesnėse zonose. Kadangi elektronus lengva valdyti elektriškai, sujungimų stipris ir trukmė gali būti greitai derinami, leidžiant įgyvendinti vartų sekas, reikalingas kvantiniams algoritmams ir klaidų taisymo kodams.
Trumpalaikiai tikslai apima daugiau kubitų integravimą į linijinius ir dvimačius masyvus, pasikartojančių aukšto fideliteto susiejimo vartų demonstravimą ir suderinamumo su multiplexiniais išvedimo režimais parodymą. Ilgesnio laikotarpio uždaviniai orientuoti į šių blokų surinkimą į klaidoms atsparias modulių konstrukcijas, kurias būtų galima tėti ant lusto.
Išvados
UNSW demonstracija, kad elektronai gali mediatuoti susiejimą tarp branduolių spinų silicio mastelio atstumais, yra reikšmingas techninis žingsnis kvantinių skaičiavimų srityje. Derindami branduolių spinų ilgą koherenciją su elektriškai valdomu elektronų mediaciniu sujungimu, tyrėjai pateikia planą, kaip kurti kvantinius procesorius, kurie būtų tiek aukšto našumo, tiek suderinami su esama puslaidininkių gamyba. Eksperimentas sumažina didelį skirtumą tarp laboratorinių įrodymų apie išskirtinę kubitų koherenciją ir praktinio inžinerinio darbo, reikalingo didelio masto kvantinėms sistemoms. Būsimi darbai bus orientuoti į sujungtų kubitų skaičiaus didinimą, daugkubinių klaidų dažnių mažinimą ir šių elementų integravimą į architektūras, tinkamas klaidų tolerantiškiems kvantiniams skaičiavimams.
Šaltinis: sciencedaily
Komentarai