Kwantumcomputer:Een van de obstakels voor vooruitgang in de zoektocht naar een werkende kwantumcomputer is dat de werkende apparaten die in een kwantumcomputer gaan en de eigenlijke berekeningen uitvoeren, de qubits, zijn tot nu toe gemaakt door universiteiten en in kleine aantallen. Maar de laatste jaren is een pan-Europese samenwerking, in samenwerking met de Franse micro-elektronica leider CEA-Leti, heeft alledaagse transistors onderzocht - die in miljarden aanwezig zijn in al onze mobiele telefoons - voor hun gebruik als qubits. Het Franse bedrijf Leti maakt gigantische wafels vol apparaten, en, na het meten, onderzoekers van het Niels Bohr Instituut, Universiteit van Kopenhagen, hebben ontdekt dat deze industrieel geproduceerde apparaten geschikt zijn als een qubit-platform dat in staat is om naar de tweede dimensie te gaan, een belangrijke stap voor een werkende kwantumcomputer. Het resultaat is nu gepubliceerd in Natuurcommunicatie .

Quantum dots in tweedimensionale array is een sprong voorwaarts

Een van de belangrijkste kenmerken van de apparaten is de tweedimensionale reeks kwantumstippen. Of beter gezegd, een twee bij twee rooster van kwantumstippen. "Wat we hebben laten zien, is dat we in elk van deze kwantumdots controle over één elektron kunnen realiseren. Dit is erg belangrijk voor de ontwikkeling van een qubit, omdat een van de mogelijke manieren om qubits te maken is om de spin van een enkel elektron te gebruiken. Dus het was erg belangrijk voor ons om dit doel te bereiken om de enkele elektronen te beheersen en dit in een 2D-array van kwantumstippen te doen", zegt Fabio Ansaloni, voormalig Ph.D. student, nu postdoc bij centrum voor Quantum Devices, NBI.

Het gebruik van elektronenspins is voordelig gebleken voor de implementatie van qubits. In feite, hun "stille" aard zorgt ervoor dat spins zwak interageren met de lawaaierige omgeving, een belangrijke vereiste om goed presterende qubits te verkrijgen.

Het is bewezen dat het uitbreiden van quantumcomputerprocessors naar de tweede dimensie essentieel is voor een efficiëntere implementatie van quantumfoutcorrectieroutines. Kwantumfoutcorrectie zal toekomstige kwantumcomputers in staat stellen fouttolerant te zijn tegen individuele qubit-storingen tijdens de berekeningen.

Het belang van productie op industriële schaal

Universitair docent bij Center for Quantum Devices, NBI, Anasua Chatterjee voegt toe:"Het oorspronkelijke idee was om een ​​reeks spinqubits te maken, ga naar enkele elektronen en word in staat om ze te beheersen en te verplaatsen. In die zin is het echt geweldig dat Leti de door ons gebruikte samples heeft kunnen leveren, die het ons op hun beurt mogelijk maakten om dit resultaat te bereiken. Veel krediet gaat naar het pan-Europese projectconsortium, en genereuze financiering van de EU, ons helpt om langzaam van het niveau van een enkele kwantumstip met een enkel elektron naar twee elektronen te gaan, en ga nu verder met de tweedimensionale arrays. Tweedimensionale arrays is een heel groot doel, want dat begint te lijken op iets dat je absoluut nodig hebt om een ​​kwantumcomputer te bouwen. Dus Leti is door de jaren heen betrokken geweest bij een reeks projecten, die allemaal hebben bijgedragen aan dit resultaat."

De eer om zo ver te komen is van veel projecten in heel Europa

De ontwikkeling is geleidelijk gegaan. anno 2015, onderzoekers in Grenoble slaagden erin de eerste spinqubit te maken, maar dit was gebaseerd op gaten, geen elektronen. Vroeger, de prestaties van de apparaten gemaakt in het "gatenregime" waren niet optimaal, en de technologie is gevorderd, zodat de apparaten die nu bij NBI zijn, tweedimensionale arrays kunnen hebben in het regime van één elektron. De vooruitgang is drievoudig, leggen de onderzoekers uit:"Ten eerste, het produceren van de apparaten in een industriële gieterij is een noodzaak. De schaalbaarheid van een moderne, industrieel proces is essentieel nu we grotere arrays beginnen te maken, bijvoorbeeld voor kleine kwantumsimulatoren. Tweede, bij het maken van een kwantumcomputer, je hebt een array in twee dimensies nodig, en je hebt een manier nodig om de buitenwereld met elke qubit te verbinden. Als je 4-5 verbindingen hebt voor elke qubit, je krijgt al snel een onrealistisch aantal draden dat uit de opstelling met lage temperatuur komt. Maar wat we hebben kunnen laten zien, is dat we één poort per elektron kunnen hebben, en je kunt lezen en besturen met dezelfde poort. En tenslotte, met behulp van deze tools konden we afzonderlijke elektronen op een gecontroleerde manier door de array verplaatsen en verwisselen, een uitdaging op zich."

Tweedimensionale arrays kunnen fouten controleren

Het controleren van fouten die optreden in de apparaten is een hoofdstuk op zich. De computers die we tegenwoordig gebruiken, produceren veel fouten, maar ze worden gecorrigeerd door wat de herhalingscode wordt genoemd. Op een conventionele computer, u kunt informatie in een 0 of een 1 hebben. Om er zeker van te zijn dat de uitkomst van een berekening correct is, de computer herhaalt de berekening en als een transistor een fout maakt, het wordt gecorrigeerd door middel van een gewone meerderheid. Als het merendeel van de berekeningen die in andere transistors zijn uitgevoerd naar 1 en niet naar 0 wijst, dan wordt 1 gekozen als resultaat. Dit is niet mogelijk in een kwantumcomputer omdat je geen exacte kopie van een qubit kunt maken, dus kwantumfoutcorrectie werkt op een andere manier:state-of-the-art fysieke qubits hebben nog geen laag foutenpercentage, maar als er genoeg van worden gecombineerd in de 2D-array, ze kunnen elkaar in toom houden, bij wijze van spreken. Dit is een ander voordeel van de nu gerealiseerde 2D-array.

De volgende stap van deze mijlpaal

Het resultaat van het Niels Bohr Instituut laat zien dat het nu mogelijk is om afzonderlijke elektronen te controleren, en voer het experiment uit in afwezigheid van een magnetisch veld. Dus de volgende stap is het zoeken naar spins - spinsignaturen - in de aanwezigheid van een magnetisch veld. Dit is essentieel om enkele en twee qubit-poorten tussen de enkele qubits in de array te implementeren. De theorie heeft aangetoond dat een handvol enkele en twee qubit-poorten, een complete set kwantumpoorten genoemd, zijn voldoende om universele kwantumberekening mogelijk te maken.