Innovativ kvantum-chip overvinner større hindring i feltet

Kvantefysikere ved Københavns Universitet har gjort et stort skritt fremover i feltet kvanteteknologi, og overvunnet en større hindring. Teamet opererte samtidig flere spin-qubits på samme kvantum-chip, som vil bidra til å utvikle superdatamaskiner.

En av de største hindringene for å oppnå en stor fungerende kvantecomputer er kontrollen over de mange grunnleggende minneenheter, eller qubits, samtidig. Når en qubit kontrolleres, er det vanligvis en negativ effekt ved samtidig kontrollpulser som påvirker en annen.

Teamet som overvant denne utfordringen inkluderte to kvantefysikere ved Københavns Universitets Niels Bohr-institutt – PhD-student og postdoktor Frederico Fedele, og assistentprofessor Anasua Chatterjee. De to arbeidet i gruppen til associate professor Ferdinand Kuemmeth.

Studien ble publisert i tidsskriftet Physical Review X Quantum.

Ny tilnærming med spin-qubits

Mens selskaper som Google (GOOGL ) og IBM har fokusert på superleder-teknologi for kvanteprosessorer, ser forskningsgruppen mer på halvleder-qubits, eller spin-qubits.

“I bredde, består de av elektronspinn fanget i halvledende nanostrukturer kalt kvante-punkter, så at enkelt spinntilstander kan kontrolleres og kobles sammen med hverandre,” sier Fedele.

Spin-qubits kan opprettholde sine kvantetilstander i lang tid, hvilket potensielt gjør det mulig for dem å utføre raskere og mer nøyaktige beregninger enn andre plattformtyper. På grunn av deres minimale størrelse, kan mange flere av dem plasseres på en chip sammenlignet med andre qubit-tilnærminger. Dette er viktig gitt det faktum at flere qubits resulterer i større datamaskinkraft.

Forskningsgruppen klarte å fabrikkere og operere fire qubits i en 2×2-matrise på en enkelt chip.

Å få qubits til å kommunisere

Ifølge Anasua Chatterjee, er ett av de viktigste målene å få qubits til å kommunisere med hverandre.

“Nå som vi har noen ganske gode qubits, er navnet på spillet å koble dem i kretser som kan operere mange qubits, samtidig som de er komplekse nok til å kunne korrigere kvanteberegningfeil,” sier Chatterjee. “Hittil har forskningen i spin-qubits kommet til et punkt hvor kretsene inneholder matriser av 2×2 eller 3×3 qubits. Problemet er at deres qubits bare behandles én om gangen.”

Den kvantekretsen som er utviklet av teamet, er laget av det halvledende stoffet galliumarsenid, og den er ikke større enn størrelsen på en bakterie.

Chatterjee er en av de to hovedforfatterne av studien.

“Det nye og virkelig betydelige med vår chip er at vi kan operere og måle alle qubits samtidig. Dette har aldri vært demonstrert før med spin-qubits — eller med mange andre typer qubits,” sier Chatterjee.

For å utføre kvanteberegninger, er det viktig å operere og måle samtidig. Qubits er svært følsomme, og når de måles én om gangen, kan selv en liten bakgrunnsstøy endre kvantinformasjonen i et system.

“For å få mer kraftfulle kvanteprosessorer, må vi ikke bare øke antallet qubits, men også antallet samtidige operasjoner, som er nettopp det vi gjorde,” sier professor Kuemmeth.

En annen stor utfordring er at chipens 48 kontrolelektroder må justeres manuelt, og de må kontinuerlig holdes justert. Dette er en tidkrevende oppgave for mennesker, så teamet søker nå etter en måte å bruke optimiseringsalgoritmer og maskinlæring til å automatisere prosessen.