Ein Silizium-Qubit-Hochfrequenzmesstisch. (UNSW) Neu geschaffene künstliche Atome auf einem Siliziumchip könnten die neue Basis dafür werden Quanten-Computing .
Ingenieure in Australien haben einen Weg gefunden, diese künstlichen Atome stabiler zu machen, was wiederum konsistentere Quantenbits oder Qubits erzeugen könnte – die Grundeinheiten der Information in einem Quantensystem.
Die Forschung baut auf bisherige Arbeit des Teams Dabei stellten sie die allerersten Qubits auf einem Siliziumchip her, die Informationen mit einer Genauigkeit von über 99 Prozent verarbeiten konnten. Jetzt haben sie einen Weg gefunden, die durch Unvollkommenheiten im Silizium verursachte Fehlerquote zu minimieren.
„Was uns an unserer neuesten Forschung wirklich begeistert, ist, dass sich künstliche Atome mit einer höheren Anzahl an Elektronen als viel robustere Qubits herausstellen, als bisher für möglich gehalten, und daher zuverlässig für Berechnungen verwendet werden können.“ Quantencomputer ,' sagte der Quanteningenieur Andrew Dzurak der University of New South Wales (UNSW) in Australien.
„Das ist von Bedeutung, weil Qubits, die nur auf einem Elektron basieren, sehr unzuverlässig sein können.“
In einem echten Atom flitzen Elektronen dreidimensional um einen Kern. Diese dreidimensionalen Umlaufbahnen werden aufgerufen Elektronenhüllen , und Elemente können unterschiedliche Anzahlen von Elektronen haben.
Künstliche Atome – auch Quantenpunkte genannt – sind nanoskalige halbleitende Kristalle mit einem Raum, der Elektronen einfangen und ihre Bewegung in drei Dimensionen begrenzen und sie mit elektrischen Feldern an Ort und Stelle halten kann.
Das Team erzeugte seine Atome mithilfe einer Metalloberflächen-Gate-Elektrode, um Spannung an das Silizium anzulegen und so überschüssige Elektronen aus dem Silizium in den Quantenpunkt zu ziehen.
„In einem echten Atom gibt es eine positive Ladung in der Mitte, dem Kern, und dann werden die negativ geladenen Elektronen in dreidimensionalen Bahnen um ihn herum gehalten.“ erklärte der Festkörperphysiker Andre Saraiva von UNSW.
„In unserem Fall kommt die positive Ladung nicht vom positiven Kern, sondern von der Gate-Elektrode, die vom Silizium durch eine isolierende Barriere aus Siliziumoxid getrennt ist, und dann schweben die Elektronen darunter, wobei jedes um das Zentrum des Quanten kreist.“ Punkt. Aber anstatt eine Kugel zu bilden, sind sie flach, in einer Scheibe angeordnet.“
Wasserstoff, Lithium und Natrium sind Elemente, die können nur ein Elektron in ihrer Elektronenhülle haben . Dies ist das Modell, das für Quantencomputing verwendet wird. Wenn das Team künstliche Atome erzeugt, die Wasserstoff, Lithium und Natrium entsprechen, können sie dieses einzelne Elektron als Qubit verwenden, die Quantenversion eines binären Bits.
Im Gegensatz zu binären Bits, die Informationen in einem von zwei Zuständen (1 oder 0) verarbeiten, kann sich ein Qubit jedoch aufgrund seiner Spinzustände gleichzeitig im Zustand 1, 0 oder beiden befinden – ein Zustand, der Superposition genannt wird. Das bedeutet, dass sie parallele Berechnungen statt nacheinander durchführen können, was sie zu einem viel leistungsfähigeren Rechenwerkzeug macht.
Das hat das Team bereits zuvor demonstriert, aber das System war nicht perfekt.
„Bisher haben Unvollkommenheiten in Siliziumbauelementen auf atomarer Ebene das Verhalten von Qubits gestört, was zu unzuverlässigem Betrieb und Fehlern geführt hat.“ sagte UNSW-Quanteningenieur Ross Leon .
Also erhöhte das Team die Spannung an ihrer Gate-Elektrode, wodurch mehr Elektronen angezogen wurden; Diese Elektronen wiederum ahmen schwerere Atome nach, die über mehrere Elektronenhüllen verfügen. Bei den künstlichen Atomen sind diese Schalen genau wie bei den realen Atomen vorhersehbar und gut organisiert.
„Wenn die Elektronen in einem echten Atom oder unseren künstlichen Atomen eine vollständige Hülle bilden, richten sie ihre Pole in entgegengesetzte Richtungen aus, sodass der Gesamtspin des Systems Null ist, was sie als Qubit unbrauchbar macht.“ „Wenn wir aber ein weiteres Elektron hinzufügen, um eine neue Hülle zu bilden, hat dieses zusätzliche Elektron einen Spin, den wir jetzt wieder als Qubit verwenden können“, sagte Dzurak .
Dieser neue Aufbau scheint auch die Fehler zu kompensieren, die durch Unvollkommenheiten im Siliziumchip auf atomarer Ebene entstehen.
„Unsere neue Arbeit zeigt, dass wir den Spin der Elektronen in den äußeren Hüllen dieser künstlichen Atome steuern können, um zuverlässige und stabile Qubits zu erhalten“, sagte Dzurak.
„Das ist wirklich wichtig, denn es bedeutet, dass wir jetzt mit viel weniger fragilen Qubits arbeiten können.“ Ein Elektron ist eine sehr zerbrechliche Sache. Allerdings ist ein künstliches Atom mit 5 Elektronen, also 13 Elektronen, viel robuster.“
Die Forschung wurde veröffentlicht in Naturkommunikation .