Banbrytande kvantchipp övervinner stort hinder inom området

Kvantfysiker vid Köpenhamns universitet har gjort ett stort framsteg inom kvantteknik, och övervunnit ett stort hinder. Teamet opererade samtidigt flera spinn-kvantanter på samma kvantchipp, vilket kommer att leda till superdatorer.

Ett av de stora hindren för att uppnå en stor fungerande kvantdator är kontrollen av de många grundläggande minnesenheter, eller kvantanter, samtidigt. När en kvant opereras, finns det vanligtvis en negativ effekt av samtidiga kontrollpulser som appliceras på en annan.

Teamet som övervann denna utmaning bestod av två kvantfysiker vid Köpenhamns universitets Niels Bohr-institut – PhD-studenten och postdoktoranden Frederico Fedele, och biträdande professor Anasua Chatterjee. De två arbetade i gruppen under docent Ferdinand Kuemmeth.

Studien publicerades i tidskriften Physical Review X Quantum.

Ny ansats med spinn-kvantanter

Medan företag som Google (GOOGL ) och IBM har fokuserat på superledarteknologi för kvantprocessorer, undersöker forskargruppen halvledar-kvantanter, eller spinn-kvantanter, mer.

“I allmänhet består de av elektronspinn som fångats i halvledande nanostrukturer som kallas kvantdott, så att enskilda spinn-tillstånd kan kontrolleras och sammanflätas med varandra”, säger Fedele.

Spinn-kvantanter kan upprätthålla sina kvanttillstånd under lång tid, vilket potentiellt möjliggör snabbare och mer exakta beräkningar än andra plattformstyper. På grund av deras mycket små storlek kan många fler av dem placeras på en chipp jämfört med andra kvant-ansatser. Detta är viktigt med tanke på att fler kvantanter resulterar i större datorkapacitet.

Forskningsgruppen kunde tillverka och operera fyra kvantanter i en 2×2-matris på en enda chipp.

Att få kvantanter att kommunicera

Enligt Anasua Chatterjee är ett av de viktigaste målen att få kvantanter att kommunicera med varandra.

“Nu när vi har ganska bra kvantanter, är det viktigt att ansluta dem i kretsar som kan operera många kvantanter, samtidigt som de är tillräckligt komplexa för att kunna korrigera kvantberäkningsfel”, säger Chatterjee. ”Hittills har forskningen inom spinn-kvantanter kommit till en punkt där kretsarna innehåller matriser av 2×2 eller 3×3 kvantanter. Problemet är att deras kvantanter bara hanteras en i taget.”

Den kvantkrets som utvecklats av teamet är tillverkad av den halvledande substansen galliumarsenid, och den är inte större än storleken på en bakterie.

Chatterjee är en av de två huvudförfattarna till studien.

“Den nya och verkligen betydelsefulla sak som skiljer vår chipp från andra är att vi kan operera och mäta alla kvantanter samtidigt. Detta har aldrig tidigare demonstrerats med spinn-kvantanter – eller med många andra typer av kvantanter”, säger Chatterjee.

För att utföra kvantberäkningar är det viktigt att operera och mäta samtidigt. Kvantanter är mycket känsliga, och när de mäts en i taget, kan även en liten bakgrundsbrus förändra den kvantinformation som finns i systemet.

“För att få mer kraftfulla kvantprocessorer måste vi inte bara öka antalet kvantanter, utan också antalet samtidiga operationer, vilket är exakt vad vi gjorde”, säger professor Kuemmeth.

Ett annat stort hinder är att chipens 48 styrsignaler måste ställas in manuellt, och de måste kontinuerligt hållas inställda. Detta är en tidskrävande uppgift för människor, så teamet letar nu efter ett sätt att använda optimeringsalgoritmer och maskinlärning för att automatisera processen.