Qubits سیلیکون محاسبات کوانتومی مقیاس پذیر را به واقعیت نزدیک می کند

Silicon Spin Qubits به زودی می تواند به باز کردن مرحله بعدی محاسبات کوانتومی کمک کند. چندین دهه است که دانشمندان سعی کرده اند از قدرت مکانیک کوانتومی برای انجام محاسبات فراتر از دسترس رایانه های کلاسیک استفاده کنند. این رویا ممکن است اکنون از همیشه نزدیکتر باشد.

رایانه های کوانتومی به روشی کاملاً متفاوت از دستگاههایی که هر روز استفاده می کنید کار می کنند. به جای پردازش اطلاعات با بیت هایی که 0 یا 1 هستند ، رایانه های کوانتومی به لطف یک خاصیت عجیب به نام Superposition می توانند از بیت های کوانتومی یا qubits استفاده کنند. آنها همچنین از درگیری و تداخل کوانتومی استفاده می کنند ، که به Qubits اجازه می دهد تا با یکدیگر در تعامل و تأثیرگذاری بر یکدیگر قرار بگیرند تا هیچ سیستم کلاسیک نتواند با یکدیگر مطابقت داشته باشد.

این ابزارها این امکان را برای رایانه های کوانتومی فراهم می کند که برخی از کارها را بسیار سریعتر از ابر رایانه های امروزی انجام دهند. محققان امیدوارند که فناوری های کوانتومی به حل مشکلات پیچیده در کشف مواد مخدر ، اقتصاد ، رمزگذاری و حتی علوم آب و هوا کمک کنند. بسیاری در این زمینه بر این باورند که محاسبات کوانتومی می تواند انقلابی در سراسر علم و صنعت ایجاد کند.

پس از 40 سال کار ، سیستم های کوانتومی اکنون وارد آنچه دانشمندان می نامند دوران NISQ-برای کوانتومی در مقیاس متوسط ​​پر سر و صدا. در این مرحله ، پردازنده های کوانتومی کمی می توانند محاسبات خاصی را بهتر از کلاسیک انجام دهند ، حتی اگر هنوز هم مستعد خطا باشند. آزمایشات با qubits ابررسانا و فوتونیک مزایای کوانتومی روشنی را نشان داده اند. برخی از سیستم عامل ها حتی در نزدیکی آستانه مورد نیاز برای محاسبات تحمل گسل عمل می کنند.

اما ساختن یک رایانه کوانتومی جهانی – که می تواند هر کار را بر عهده بگیرد – بسیار سخت تر است. این هدف می تواند به میلیون ها نفر از فیزیکی نیاز داشته باشد. سیستم های امروز فقط چند صد ارائه می دهند. بسته شدن این شکاف همچنان یک چالش بزرگ است ، به خصوص هنگامی که صحبت از کوپلیت در مسافت های طولانی و ذخیره حالت های کوانتومی برای مدت طولانی است. الکترونیک حجیم و سیستم های خنک کننده پیچیده نیز به این مشکل افزوده می شود.

یک رویکرد به دست آوردن حرکت از یک ماده آشنا ناشی می شود: سیلیکون. همان ماده مورد استفاده در تراشه های رایانه ای سنتی نیز ممکن است راه را برای کالاهای کوانتومی سوق دهد.

یک بررسی اخیر که در Computing Smentigy ، یک مجله شریک علمی منتشر شده است ، بیان می کند که چگونه Qubits Silicon Spin به عنوان یکی از امیدوار کننده ترین مسیرها به سمت رایانه های کوانتومی در مقیاس بزرگ شکل می گیرد. این بررسی با عنوان “چرخش تک الکترونی در سیلیکون برای کوانتومی” ، پیشرفت سریع در این زمینه و چالش هایی را که هنوز هم باقی مانده است ، خلاصه می کند.

Silicon Spin Qubits اطلاعات کوانتومی را با استفاده از چرخش یک الکترون – نسخه کوانتومی از یک آهنربای کوچک ذخیره می کند. این چرخش ها در ساختارهای ریز به نام نقاط کوانتومی محدود شده اند ، که گاهی به عنوان “اتم های مصنوعی” توصیف می شوند. محققان می توانند با استفاده از میدان های الکتریکی یا سیگنال های مغناطیسی ، الکترونهای منفرد را در داخل این نقاط به دام بیندازند و کنترل کنند.

آنچه باعث می شود Silicon Spin Spin به خصوص جذاب باشد ، سازگاری آنها با فن آوری های نیمه هادی موجود است. این بدان معناست که آنها می توانند با استفاده از همان روش هایی که قبلاً در صنعت تراشه استفاده شده اند ساخته شوند و باعث می شود مقیاس آنها نسبت به بسیاری از سیستم عامل های کوانتومی رقیب آسانتر شود.

نویسندگان می نویسند: “آنها می توانند زمان انسجام طولانی داشته باشند ، تا 0.5 ثانیه ، دشمنی های دروازه تک با سرعت بیش از 99.95 ٪ ، و وفاداری دروازه دو qubit که از آستانه تحمل گسل فراتر می روند.” این سطح از دقت و ثبات برای برنامه های دنیای واقعی بسیار مهم است.

این Qubits همچنین می تواند در دمای بالاتر از 1 کلوین کار کند ، و آنها را به برخی از “qubits داغ” نادر که نیازی به انجماد فوق العاده عمق ندارند ، تبدیل کند. در بعضی موارد ، عملیات تحمل گسل حتی در این دمای بالاتر حاصل شده است و در را برای طرح های سخت افزاری عملی تر باز می کند.

دو نوع اصلی چرخش سیلیکون وجود دارد: نقاط کوانتومی تعریف شده با دروازه و نقاط کوانتومی مبتنی بر اهدا کننده.

در سیستم های تعریف شده از دروازه ، الکترودها در بالای یک سطح نیمه هادی قرار می گیرند تا یک میدان الکتریکی شکل بگیرند که الکترون ها را از یک گاز الکترون دو بعدی به دام می اندازد. این الکترون ها می توانند به عنوان qubits خدمت کنند. مواد مورد استفاده شامل مخلوط های سیلیکون ، سیلیکون/ژرمانیوم و ساختارهای فلزی-اکسید-هادی است.

نقاط مبتنی بر اهدا کننده متفاوت کار می کنند. آنها از اتم هایی مانند فسفر به عنوان دوپانت استفاده می کنند ، به این معنی که اتم های ناخالصی منفرد را در یک شبکه سیلیکون قرار می دهند. الکترون مرتبط با آن اتم در نزدیکی هسته محدود شده است ، و چرخش آن الکترون – به همراه چرخش هسته – می تواند برای رمزگذاری اطلاعات کوانتومی استفاده شود.

هر دو سیستم از استفاده از سیلیکون خالص ایزوتوپی بهره مند می شوند ، که باعث کاهش تعامل هسته ای ناخواسته می شود که می تواند Quit را تقلا کند. روشهای کنترل و خواندن آنها اغلب به تبدیل حالتهای چرخش به حالتهای شارژ متکی هستند ، فرآیندی به نام تبدیل چرخش به شارژ. این امر تشخیص و دستکاری Qubits را آسان تر می کند.

چرخش الکترونی در این سیستم ها قبلاً افراد موجود در آستانه مورد نیاز برای تصحیح خطا را نشان داده است. آنها را می توان با استفاده از تکنیک هایی مانند رزونانس چرخش الکترون یا رزونانس چرخش دو قطبی برقی اداره کرد. دروازه های دو ضلعی از طریق تعامل مبادله ای بین Qubits در نزدیکی ایجاد می شوند و عملیات منطقی مانند مبادله و کنترل نشده را امکان پذیر می کنند.

یکی از مراحل مهم برای ساختن یک رایانه کوانتومی جهانی ، پیوند بسیاری از qubits در مسافت های طولانی است. به این ترتیب ، پردازنده می تواند بدون نیاز به هر گونه مجاور از نظر جسمی ، مقیاس کند.

دانشمندان با استفاده از تکنیک های الکترودینامیک کوانتومی مدار ، که از فوتون های مایکروویو برای حمل اطلاعات کوانتومی از طریق طنین اندازهای ابررسانا استفاده می کنند ، پیشرفت می کنند. اتصال اسپین پوتون قوی با استفاده از میکرومغن هایی که باعث ایجاد فعل و انفعالات اسپین-مدار مصنوعی می شوند ، حاصل می شود. این امر امکان انتقال حالتهای کوانتومی بین Qubits دوردست ، یک ویژگی اساسی برای ساخت پردازنده های کوانتومی چند هسته ای و سیستم های محاسباتی توزیع شده را فراهم می کند.

Hole Spin Qubits گزینه دیگری را ارائه می دهد. اینها به عدم وجود الکترونها متکی هستند و از ویژگی های بدنی متفاوتی برخوردار هستند ، مانند جفت چرخش قوی تر و تعامل ضعیف تر با اتم های اطراف. برخی از آزمایشات اخیر به دستان خود در دروازه تک کابین 99.97 ٪ و دو قیمتی از 99.3 ٪ ، همراه با اتصال قوی به فوتون ها دست یافته اند. در حالی که این بررسی عمدتاً بر چرخش الکترونی متمرکز است ، چرخش سوراخ نیز به دلیل مزایای منحصر به فرد آنها مورد بررسی قرار می گیرد.

حتی با وجود همه این پیشرفت ها ، باید چندین چالش برطرف شود. برای نقاط کوانتومی تعریف شده از دروازه ، ادغام Qubits با الکترونیک کنترل کلاسیک در همان تراشه یک کار دشوار است. محققان همچنین برای استفاده بهتر از فضا و بهبود عملکرد باید طرح های جدید ، احتمالاً در دو یا سه بعد را کشف کنند. کار در دماهای بالاتر باعث می شود سیستم ها نیز عملی تر شوند.

برای سیستم های مبتنی بر اهدا کننده ، تکنیک های ساخت جدید باید برای قرار دادن اتم ها با دقت در مقیاس اتمی تهیه شود. ادغام با الکترونیک کنترل کرایوژنیک و آزمایش دوپانتهای جدید همچنین می تواند عملکرد و ثبات را بهبود بخشد.

مهم نیست که این رویکرد ، مقیاس گذاری رایانه های کوانتومی نیاز به پیشرفت مداوم در وفاداری و کاهش نویز دارد. محققان باید در آرایه های بزرگ quit به اختلال بپردازند و معماری های بهتری را طراحی کنند که همه چیز را پایدار و آسان برای کنترل نگه می دارد.

چندین موسسه و شرکت های تحقیقاتی در حال حاضر در تلاشند تا این ایده ها را زنده کنند. گروه هایی در اینتل ، Cea-Leti ، آزمایشگاه های HRL و IMEC در حال ساخت تراشه های سازگار با ریخته گری بر اساس قاب های سیلیکونی هستند. این تلاش ها ، همراه با پیشرفت در فناوری CMOS Cryogenic ، می تواند یک روز به سیستم های کوانتومی در یک تراشه واحد منجر شود-“هیبرید کلاسیک کوانتومی” که محاسبات کوانتومی را با الکترونیک سنتی ادغام می کند.

با تشکر از این تلاش ها ، آنچه روزگاری به نظر می رسید یک هدف دوردست – رایانه کوانتومی جهانی – به آرامی به یک هدف واقع بینانه تبدیل می شود. Qubits Silicon Spin ممکن است پایه و اساس آن آینده باشد.