До сих пор это была ситуация с частями аппаратного обеспечения, из которых состоит кремниевый квантовый компьютер, тип квантового компьютера, который потенциально может быть дешевле и более универсален, чем сегодняшние версии.
Теперь команда из Принстонского университета преодолела это ограничение и продемонстрировала, что два компонента квантовых вычислений, известные как кремниевые «спиновые» кубиты, могут взаимодействовать, даже если они расположены относительно далеко друг от друга на компьютерном чипе.
Исследование опубликовано в журнале Nature.
«Возможность передавать сообщения на такое расстояние на кремниевом чипе открывает новые возможности для нашего квантового оборудования», – сказал Джейсон Петта, профессор физики Юджина Хиггинса из Принстона и руководитель исследования. "Конечная цель состоит в том, чтобы иметь несколько квантовых битов, расположенных в двумерной сетке, которые могут выполнять еще более сложные вычисления. Исследование должно помочь в долгосрочной перспективе улучшить передачу кубитов на чипе, а также от одного чипа к другому."
Квантовые компьютеры могут решать задачи, выходящие за рамки возможностей обычных компьютеров, такие как факторинг больших чисел.
Квантовый бит или кубит может обрабатывать гораздо больше информации, чем обычный компьютерный бит, потому что, в то время как каждый классический компьютерный бит может иметь значение 0 или 1, квантовый бит может одновременно представлять диапазон значений от 0 до 1.
Чтобы реализовать обещание квантовых вычислений, этим футуристическим компьютерам потребуются десятки тысяч кубитов, которые могут взаимодействовать друг с другом.
Сегодняшние прототипы квантовых компьютеров от Google, IBM и других компаний содержат десятки кубитов, созданных по технологии, включающей сверхпроводящие схемы, но многие технологи считают кубиты на основе кремния более перспективными в долгосрочной перспективе.
Кремниевые спиновые кубиты имеют ряд преимуществ перед сверхпроводящими кубитами. Кремниевые спиновые кубиты сохраняют свое квантовое состояние дольше, чем конкурирующие технологии кубитов.
Широкое использование кремния в повседневных компьютерах означает, что кубиты на основе кремния можно производить по невысокой цене.
Проблема частично связана с тем фактом, что спиновые кубиты кремния состоят из одиночных электронов и очень малы.
«Соединение или« межсоединение »между несколькими кубитами – самая большая проблема для крупномасштабного квантового компьютера», – сказал Джеймс Кларк, директор по квантовому оборудованию в Intel, чья команда создает кремниевые кубиты с использованием передовой производственной линии Intel, и кто не был участвует в исследовании. "Команда Джейсона Петта проделала огромную работу, чтобы доказать, что спиновые кубиты могут быть связаны на больших расстояниях."
Для этого команда из Принстона соединила кубиты с помощью «провода», по которому свет проходит аналогично оптоволоконным кабелям, по которым интернет-сигналы доставляются в дома. В этом случае, однако, провод на самом деле представляет собой узкую полость, содержащую единственную частицу света или фотон, которая принимает сообщение от одного кубита и передает его следующему кубиту.
Два кубита были расположены на расстоянии примерно полсантиметра, или примерно длины рисового зерна, друг от друга. Чтобы представить это в перспективе, если бы каждый кубит был размером с дом, кубит мог бы отправлять сообщение другому кубиту, расположенному в 750 милях от него.
Ключевым шагом вперед было найти способ заставить кубиты и фотон говорить на одном языке, настроив все три так, чтобы они вибрировали с одинаковой частотой. Команде удалось настроить оба кубита независимо друг от друга, но при этом связать их с фотоном.
Ранее архитектура устройства позволяла подключать к фотону только один кубит за раз.
«Вы должны уравновесить энергию кубита на обеих сторонах чипа с энергией фотона, чтобы все три элемента разговаривали друг с другом», – сказал Феликс Боржанс, аспирант и первый автор исследования. "Это была действительно сложная часть работы."
Каждый кубит состоит из одного электрона, заключенного в крошечной камере, называемой двойной квантовой точкой. Электроны обладают свойством, известным как спин, который может указывать вверх или вниз аналогично стрелке компаса, указывающей на север или юг. Обстреливая электрон микроволновым полем, исследователи могут перевернуть спин вверх или вниз, чтобы назначить кубиту квантовое состояние 1 или 0.
«Это первая демонстрация запутывания электронных спинов в кремнии, разделенных расстояниями, намного большими, чем устройства, вмещающие эти спины», – сказал Таддеус Лэдд, старший научный сотрудник HRL Laboratories и соавтор проекта. «Не так давно возникли сомнения относительно того, возможно ли это, из-за противоречивых требований к связыванию спинов с микроволнами и избежания эффектов зашумленных зарядов, движущихся в кремниевых устройствах. Это важное доказательство возможности для кремниевых кубитов, потому что оно добавляет существенную гибкость в том, как подключать эти кубиты и как их геометрически размещать в будущих кремниевых квантовых микрочипах.’"
Связь между двумя удаленными устройствами на основе кремниевых кубитов основана на предыдущей работе исследовательской группы Petta. В статье 2010 года в журнале Science команда показала, что можно улавливать одиночные электроны в квантовых ямах.
В журнале Nature в 2012 году команда сообщила о передаче квантовой информации от электронных спинов в нанопроволоках к фотонам микроволнового диапазона, а в 2016 году в журнале Science они продемонстрировали способность передавать информацию от кремниевого зарядового кубита к фотону. Они продемонстрировали обмен информацией в кубитах ближайшими соседями в 2017 году в журнале Science. А в 2018 году команда показала в Nature, что кремниевый спиновый кубит может обмениваться информацией с фотоном.
Елена Вукович, профессор электротехники и профессор Дженсена Хуанга по глобальному лидерству в Стэнфордском университете, которая не принимала участия в исследовании, прокомментировала: «Демонстрация дальнодействующих взаимодействий между кубитами имеет решающее значение для дальнейшего развития квантовых технологий, таких как модульные квантовые решения. компьютеры и квантовые сети. Этот захватывающий результат команды Джейсона Петта является важной вехой на пути к этой цели, поскольку он демонстрирует нелокальное взаимодействие между двумя электронными спинами, разделенными более чем на 4 миллиметра, при посредничестве микроволнового фотона. Более того, чтобы построить эту квантовую схему, команда использовала кремний и германий – материалы, широко используемые в полупроводниковой промышленности."
Исследование финансировалось Исследовательским бюро армии (грант W911NF-15-1-0149) и Инициативой EPiQS Фонда Гордона и Бетти Мур (грант GBMF4535).