Innovativ kvantecomputerchip overvinder større hindring i feltet

Kvantefysikere ved Københavns Universitet har gjort et stort skridt fremad i feltet kvanteteknologi og overvundet en større hindring. Holdet opererede samtidigt med flere spin-qubits på samme kvantechip, hvilket vil hjælpe med at føre til supercomputere.

En af de større hindringer for at opnå en stor funktionel kvantecomputer er kontrollen af de mange grundlæggende hukommelsesenheder, eller qubits, samtidigt. Når en qubit kontrolleres, er der normalt en negativ effekt ved samtidig kontrolpulser, der anvendes på en anden.

Holdet, der overvandt denne udfordring, bestod af en pair af kvantefysikere ved Københavns Universitets Niels Bohr Institut – ph.d.-studerende og postdoc Frederico Fedele og lektor Anasua Chatterjee. De to arbejdede i gruppen under ledelse af lektor Ferdinand Kuemmeth.

Studiet blev offentliggjort i tidsskriftet Physical Review X Quantum.

Ny tilgang med spin-qubits

Mens selskaber som Google (GOOGL ) og IBM har fokuseret på superleder-teknologi til kvanteprocessorer, ser forskningsgruppen mere på halvleder-qubits, eller spin-qubits.

“I bredere forstand består de af elektronspins fanget i halvledende nanostrukturer kaldet kvante-punkter, sådan at individuelle spin-tilstande kan kontrolleres og sammenflettes med hinanden,” siger Fedele.

Spin-qubits kan opretholde deres kvante-tilstand i lang tid, hvilket potentielt kan tillade dem at udføre hurtigere og mere præcise beregninger end andre platform-typer. Pga. deres minimale størrelse kan langt flere af dem være på en chip sammenlignet med andre qubit-tilgange. Dette er vigtigt, da flere qubits resulterer i større computer-behandlingsevne.

Forskningsholdet kunne fremstille og operere fire qubits i en 2×2-matrix på en enkelt chip.

At få qubits til at kommunikere

Ifølge Anasua Chatterjee er et af de vigtigste mål at få qubits til at kommunikere med hinanden.

“Nu, hvor vi har nogle ret gode qubits, handler det om at forbinde dem i kredsløb, der kan operere med mange qubits, samt være komplekse nok til at kunne korrigere kvanteberegningfejl,” siger Chatterjee. “Indtil nu har forskningen i spin-qubits nået et punkt, hvor kredsløb indeholder matricer af 2×2 eller 3×3 qubits. Problemet er, at deres qubits kun behandles én ad gangen.”

Den kvantekreds, der er udviklet af holdet, er lavet af det halvledende stof galliumarsenid, og den er ikke større end størrelsen på en bakterie.

Chatterjee er en af de to hovedforfattere af studiet.

“Den nye og virkelig betydningsfulde ting ved vores chip er, at vi kan operere og måle alle qubits samtidigt. Dette er aldrig blevet demonstreret før med spin-qubits – eller med mange andre typer qubits,” siger Chatterjee.

For at udføre kvanteberegninger er det vigtigt at operere og måle samtidigt. Qubits er meget følsomme, og når de måles én ad gangen, kan selv en lille baggrundsstøj ændre den kvante-information i et system.

“For at få mere kraftfulde kvanteprocessorer må vi ikke kun øge antallet af qubits, men også antallet af samtidige operationer, hvilket er netop, hvad vi gjorde,” siger professor Kuemmeth.

En anden stor udfordring er, at chippenes 48 kontrol-elektroder skal justeres manuelt, og de skal hele tiden være justerede. Dette er en tidskrævende opgave for mennesker, så holdet søger nu efter en måde at bruge optimeringsalgoritmer og maskinlæring til at automatisere processen.