Kwantumcomputeringenieurs bij UNSW Sydney hebben aangetoond dat ze kwantuminformatie (de speciale gegevens in een kwantumcomputer) op vier unieke manieren kunnen coderen binnen één enkel atoom, in een siliciumchip.

Deze prestatie zou een aantal van de uitdagingen kunnen verlichten bij het besturen van tientallen miljoenen kwantumcomputereenheden in slechts een paar vierkante millimeter van een silicium-kwantumcomputerchip.

In een artikel gepubliceerd in Nature Communications beschrijven de ingenieurs hoe ze de 16 kwantumtoestanden van een antimoonatoom gebruikten om kwantuminformatie te coderen.

Antimoon is een zwaar atoom dat in een siliciumchip kan worden geïmplanteerd, ter vervanging van een van de bestaande siliciumatomen. Er werd voor gekozen omdat de kern acht verschillende kwantumtoestanden bezit, plus een elektron met twee kwantumtoestanden, wat resulteert in een totaal van 8 x 2 =16 kwantumtoestanden, allemaal binnen slechts één atoom. Om hetzelfde aantal toestanden te bereiken met behulp van eenvoudige kwantumbits – of qubits, de basiseenheid van kwantuminformatie – zou het vervaardigen en koppelen van vier ervan nodig zijn.

Hoofdauteur Irene Fernandez de Fuentes zegt dat het team, onder leiding van Scientia-professor Andrea Morello, zich heeft gebaseerd op meer dan tien jaar werk waarin verschillende methoden van kwantumcontrole waren ontwikkeld om aan te tonen dat ze allemaal mogelijk waren binnen hetzelfde atoom. Het antimoonatoom werd door collega's van de Universiteit van Melbourne in de chip geïmplanteerd, met behulp van faciliteiten van de Heavy Ion Accelerators van de Australian National University.

"Eerst hebben we laten zien dat we het elektron van antimoon kunnen controleren met een oscillerend magnetisch veld, vergelijkbaar met de doorbraak in 2012, de eerste keer dat ooit een qubit in silicium werd gedemonstreerd", zegt ze.

‘Vervolgens lieten we zien dat we een magnetisch veld konden gebruiken om de spin van de antimoonkern te manipuleren. Dit is de standaard magnetische resonantiemethode, zoals bijvoorbeeld gebruikt in MRI-machines in ziekenhuizen. De derde methode was het controleren van de kern van het antimoonatoom. met een elektrisch veld, iets dat in 2020 bij toeval werd ontdekt.

"En de vierde manier was om zowel de antimoonkern als het elektron tegenover elkaar te controleren, met behulp van een elektrisch veld met behulp van zogenaamde flip-flop qubits, wat vorig jaar door dit team werd gedemonstreerd.

"Dit laatste experiment laat zien dat alle vier deze methoden kunnen worden gebruikt in dezelfde siliciumchip met dezelfde architectuur."

Het voordeel van vier verschillende methoden is dat elke methode computeringenieurs en natuurkundigen meer flexibiliteit geeft bij het ontwerpen van toekomstige quantumcomputerchips.

Magnetische resonantie is bijvoorbeeld sneller dan elektrische resonantie, maar het magnetische veld verspreidt zich wijd in de ruimte, waardoor het ook naburige atomen kan beïnvloeden. Elektrische resonantie is weliswaar langzamer, maar kan zeer lokaal worden toegepast om één specifiek atoom te selecteren, zonder dat dit gevolgen heeft voor de buren.

"Met dit grote antimoonatoom hebben we de volledige flexibiliteit om het te integreren met een controlestructuur over een siliciumchip", zegt prof. Morello.

Waarom dit ertoe doet

De kwantumcomputers van de toekomst zullen beschikken over miljoenen, zo niet miljarden qubits die gelijktijdig werken om binnen enkele minuten cijfers te verwerken en modellen te simuleren, waarvoor de huidige supercomputers honderden of zelfs duizenden jaren nodig zouden hebben.

Hoewel sommige teams over de hele wereld vooruitgang hebben geboekt met grote aantallen qubits, zoals het 70 qubit-model van Google of de IBM-versie die er meer dan 1000 heeft, hebben ze veel grotere ruimtes nodig om hun qubits te laten werken zonder elkaar te hinderen.

Maar de aanpak die prof. Morello en andere collega's bij UNSW hebben gevolgd, is het ontwerpen van quantum computing met behulp van technologie die al wordt gebruikt om conventionele computers te maken. Hoewel de vooruitgang misschien langzamer gaat als het gaat om het aantal werkende qubits, betekent het voordeel van het gebruik van silicium dat er miljoenen qubits in een vierkante millimeter chip kunnen zitten.

"We investeren in een technologie die moeilijker en langzamer is, maar om zeer goede redenen, waaronder de extreme dichtheid aan informatie die deze kan verwerken", zegt prof. Morello.

‘Het is allemaal prima om 25 miljoen atomen op een vierkante millimeter te hebben, maar je moet ze één voor één onder controle houden. Als we de flexibiliteit hebben om dit te doen met magnetische velden, of elektrische velden, of welke combinatie dan ook, zullen we veel mogelijkheden krijgen. opties om mee te spelen bij het opschalen van het systeem."

Terug naar het laboratorium

Vervolgens zal de groep de grote rekenruimte van het antimoonatoom gebruiken om kwantumoperaties uit te voeren die veel geavanceerder zijn dan die van gewone qubits. Ze zijn van plan een 'logische' qubit binnen het atoom te coderen – een qubit die op meer dan twee kwantumniveaus is gebouwd, om voldoende redundantie te krijgen om fouten te detecteren en te corrigeren zodra ze zich voordoen.

"Dit is de volgende grens voor praktische, bruikbare quantumcomputerhardware", zegt prof. Morello.

"Het kunnen bouwen van een foutgecorrigeerde logische qubit binnen één enkel atoom zal een geweldige kans zijn om silicium-kwantumhardware op te schalen tot het punt waarop het commercieel bruikbaar wordt."

Meer informatie: Irene Fernández de Fuentes et al, Navigeren door de 16-dimensionale Hilbertruimte van een high-spin donorqudit met elektrische en magnetische velden, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-45368-y

Aangeboden door Universiteit van New South Wales