Az innovatív kvantumchip legyőzi a terepen jelentkező jelentős akadályokat

A Koppenhágai Egyetem kvantumfizikusai nagy ugrást tettek előre a kvantumtechnológia területén, leküzdve egy jelentős akadályt. A csapat egyidejűleg több spin qubitet működtetett ugyanazon a kvantumchipen, ami elősegíti a szuperszámítógépek létrehozását.

A nagy funkcionális kvantumszámítógép megvalósításának egyik legnagyobb akadálya a számos alapvető memóriaeszköz vezérlése, ill. qubit, egyidejűleg. Ha egy qubitet vezérelnek, általában negatív hatást fejtenek ki a másikra egyidejű vezérlőimpulzusok. 

A kihívást leküzdő csapatban a Koppenhágai Egyetem Niels Bohr Intézetének kvantumfizikusai – PhD hallgató és Frederico Fedele posztdoktor – és Anasua Chatterjee adjunktus szerepelt. Mindketten Ferdinand Kuemmeth docens csoportjában dolgoztak.

A tanulmányt a folyóiratban tették közzé Physical Review X Quantum.

Új megközelítés Spin Qubits

Míg az olyan cégek, mint a Google és az IBM a kvantumprocesszorok szupravezető technológiájára helyezték a hangsúlyt, a kutatócsoport inkább a félvezető qubitekkel, ill. spin qubits.  

„Tágabb értelemben véve elektron spinekből állnak, amelyeket kvantumpontoknak nevezett félvezető nanostruktúrákba zárnak, így az egyes spinállapotok szabályozhatók és összefonhatók egymással” – mondja Fedele.

A spin qubitek hosszú ideig képesek megőrizni kvantumállapotukat, ami potenciálisan lehetővé teszi számukra, hogy gyorsabb és pontosabb számításokat hajtsanak végre, mint más platformtípusok. Kis méretük miatt sokkal több fér el belőlük egy chipen, mint más qubit megközelítések. Ez azért fontos, mert a több qubit nagyobb számítógépes feldolgozási teljesítményt eredményez. 

A kutatócsoport négy qubitet tudott legyártani és működtetni egy 2×2-es tömbben egyetlen chipen.

Qubits kommunikációra késztetése

Anasua Chatterjee szerint az egyik legfontosabb cél az, hogy a qubitek kommunikáljanak egymással.

„Most, hogy van néhány elég jó qubitünk, a játék neve olyan áramkörökben köti össze őket, amelyek számos qubitet képesek működtetni, miközben elég összetettek ahhoz, hogy ki tudják javítani a kvantumszámítási hibákat” – mondja Chatterjee. „Eddig a spin-kubitek kutatása odáig jutott, hogy az áramkörök 2×2 vagy 3×3 qubites tömböket tartalmaznak. A probléma az, hogy a qubitjeikkel egyszerre csak egyet foglalkoznak.”

A csapat által kifejlesztett kvantumáramkör gallium-arzenid félvezető anyagból készült, és nem nagyobb, mint egy baktérium.

Chaterjee a tanulmány két vezető szerzőjének egyike. 

„Az új és igazán jelentős dolog a chipünkben az, hogy egyszerre tudunk minden qubitet működtetni és mérni. Ezt még soha nem mutatták ki spin qubitekkel – és sok más típusú kubittel sem” – mondja Chatterjee.

A kvantumszámítások elvégzéséhez fontos az egyidejű működés és mérés. A Qubitok rendkívül érzékenyek, és ha egyesével mérik őket, még egy kis környezeti zaj is megváltoztathatja a kvantuminformációkat a rendszerben. 

"Ahhoz, hogy nagyobb teljesítményű kvantumprocesszorokat kapjunk, nem csak a qubitek számát kell növelnünk, hanem az egyidejű műveletek számát is, és pontosan ezt tettük" - mondja Kuemmeth professzor.

Egy másik nagy kihívás, hogy a chip 48 vezérlőelektródáját manuálisan kell hangolni, és ezeket folyamatosan hangolni kell. Ez időigényes feladat az emberek számára, ezért a csapat most azt keresi, hogyan lehetne optimalizálási algoritmusokat és gépi tanulást használni a folyamat automatizálására.