Innovativt kvantchip övervinner stora hinder i fält

Kvantfysiker vid Köpenhamns universitet har tagit ett stort steg framåt inom kvantteknikområdet och övervunnit ett stort hinder. Teamet körde samtidigt flera spin-qubits på samma kvantchip, vilket kommer att leda till superdatorer.

Ett av de största hindren för att uppnå en stor funktionell kvantdator är kontrollen av de många grundläggande minnesenheterna, eller kvantbitar, samtidigt. När en qubit styrs, är det vanligtvis en negativ effekt av samtidiga styrpulser som appliceras på en annan. 

Teamet som övervann den här utmaningen inkluderade ett par kvantfysiker vid Köpenhamns universitets Niels Bohr Institute – doktorand och postdoc Frederico Fedele, och assisterande professor Anasua Chatterjee. De två arbetade i docent Ferdinand Kuemmeths grupp.

Studien publicerades i tidningen Fysisk granskning X Quantum.

Nytt tillvägagångssätt med Snurra Qubits

Medan företag som Google och IBM har fokuserat på supraledarteknologi för kvantprocessorer, tittar forskargruppen mer på halvledar-qubits, eller snurra qubits.  

"I stort sett består de av elektronsnurr fångade i halvledande nanostrukturer som kallas kvantprickar, så att individuella spinntillstånd kan kontrolleras och intrasslas med varandra", säger Fedele.

Spin qubits kan behålla sina kvanttillstånd under lång tid, vilket potentiellt gör det möjligt för dem att utföra snabbare och mer exakta beräkningar än andra plattformstyper. På grund av deras ringa storlek kan mycket fler av dem passa på ett chip jämfört med andra qubit-metoder. Detta är viktigt med tanke på att fler qubits resulterar i en större datorprocessorkraft. 

Forskargruppen kunde tillverka och driva fyra qubits i en 2×2-array på ett enda chip.

Få Qubits att kommunicera

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

"Nu när vi har några ganska bra qubits, är namnet på spelet att koppla ihop dem i kretsar som kan driva många qubits, samtidigt som de är tillräckligt komplexa för att kunna korrigera kvantberäkningsfel", säger Chatterjee. "Hittills har forskningen inom spin-qubits kommit till den punkt där kretsar innehåller arrayer på 2×2 eller 3×3 qubits. Problemet är att deras qubits bara hanteras en i taget."

Kvantkretsen som utvecklats av teamet är gjord av det halvledande ämnet galliumarsenid, och den är inte större än en bakteriestorlek.

Chaterjee är en av de två huvudförfattarna till studien. 

"Det nya och verkligt betydelsefulla med vårt chip är att vi samtidigt kan driva och mäta alla qubits. Detta har aldrig tidigare visats med spin-qubits – inte heller med många andra typer av qubits, säger Chatterjee.

För att kunna utföra kvantberäkningar är det viktigt att man arbetar och mäter samtidigt. Qubits är mycket känsliga, och när de mäts en efter en kan även ett litet omgivande brus förändra kvantinformationen i ett system. 

"För att få kraftfullare kvantprocessorer måste vi inte bara öka antalet kvantbitar, utan också antalet samtidiga operationer, vilket är precis vad vi gjorde", säger professor Kuemmeth.

En annan stor utmaning är att chipets 48 styrelektroder måste trimmas manuellt, och de behöver kontinuerligt hållas inställda. Detta är en tidskrävande uppgift för människor, så teamet letar nu efter ett sätt att använda optimeringsalgoritmer och maskininlärning för att automatisera processen.