Science >> Wetenschap >  >> Fysica

In het nieuwe ontwerp van kwantumcomputers gebruiken qubits magneten om selectief te communiceren

Het verbinden van qubits via kwantumverstrengeling is noodzakelijk om een ​​kwantumcomputer te bouwen, maar kan vaak lastig zijn. Met stikstofvacancycentra (NV-centra) – defecten in diamant die als qubits kunnen worden gebruikt – is de uitdaging dat ze, om met elkaar te kunnen praten, heel dicht bij elkaar moeten zijn. De normale kwantuminteractie tussen NV-centra heeft een maximaal bereik van slechts enkele nanometers – een duizendste van de breedte van een haar – en als de NV-centra zo dicht bij elkaar liggen, kunnen ze niet in een bruikbare configuratie worden geconstrueerd.

"Je moet daar dingen in handen kunnen krijgen om draden aan te sluiten en een apparaat te maken", zegt Michael Flatté, hoogleraar natuurkunde en astronomie aan de Universiteit van Iowa, die aan het werk heeft bijgedragen. Flatté is ook hoofdwetenschapper bij het kwantumtechnologiebedrijf QuantCAD LLC, een zakenpartner van Chicago Quantum Exchange. "En nanometers zijn daarvoor gewoon te dichtbij."

Dat is waar magneten in beeld komen.

Twee jaar geleden publiceerden Flatté en zijn medewerkers een theoretisch artikel waarin werd voorgesteld magnetisch materiaal te gebruiken om een ​​kwantumverbinding tussen NV-centra te maken, zodat ze met elkaar verstrengeld konden worden terwijl ze verder uit elkaar lagen. Bij de normale interactie tussen twee NV-centra zijn microgolven betrokken. In dit voorgestelde apparaat ontvangt de magneet de microgolf van het NV-centrum en zendt deze via "magnon" naar de NV aan de andere kant.

In een magneet wijzen de spins van alle elektronen erin in dezelfde richting, zoals graanstengels die allemaal naar boven wijzen. Een magnon is een lichte golfverstoring door die spins, zoals een golf die de wind over het graanveld zou maken. Magnonen kunnen veel verder gaan dan nanometers, zelfs duizend keer verder, zelfs tot vele micrometers.

"De micrometerschaal is behoorlijk interessant omdat het de typische schaal is van veel geïntegreerde elektronische apparaten, zoals siliciumtransistors in een computerchip", zei Flatté. "Dus als je dingen van dat formaat zou maken, zou je er een redelijk aantal op een chip kunnen krijgen."

Het verbinden van NV-centerqubits met magneten maakt ook selectieve interactie mogelijk:als twee qubits in de kwantumcomputer op een iets andere frequentie zouden praten, zouden ze met elkaar kunnen verstrengelen zonder de andere qubits te verstoren of te worden beïnvloed, zelfs als er andere qubits tussen zaten. Deze mogelijkheid is uiterst belangrijk voor het soort complex werk dat wetenschappers willen dat kwantumcomputers uitvoeren.

Dit experiment van Awschalom en zijn medewerkers bevestigde met succes dat het NV-centrum met het magnetische materiaal kon 'praten' en de microgolf als een magnon kon uitzenden. Bovendien kwamen de cijfers bijna perfect overeen met wat twee jaar geleden in het theoretische artikel werd voorspeld.

"Dit werk is een goede synergie tussen experiment en theorie", zegt Masaya Fukami, eerste auteur van het artikel. Fukami was tijdens het experiment postdoc aan de Pritzker School of Molecular Engineering van UChicago en werkt nu bij quantumcomputerbedrijf PsiQuantum. "Ik was erg onder de indruk van hoe goed het model het experiment voorspelde. Het geeft me veel vertrouwen over dit systeem."

Nu ze hebben vastgesteld dat het NV-centrum met de magneet kan praten, is de volgende stap het plaatsen van een ander NV-centrum aan de andere kant en kijken of de magneet een kwantumverbinding tussen de twee kan bewerkstelligen.

"Dit is de eerste integratiemodaliteit met magneten", zei Flatté. "Ik denk dat het een heel krachtige aanpak is die in principe ook zou kunnen worden toegepast op andere solid-state qubit-systemen."

Meer informatie: Masaya Fukami et al, Magnon-gemedieerde qubit-koppeling bepaald via dissipatiemetingen, Proceedings of the National Academy of Sciences (2024). DOI:10.1073/pnas.2313754120

Journaalinformatie: Proceedings van de Nationale Academie van Wetenschappen

Aangeboden door Universiteit van Chicago




Meer >

Meer >

Hoofdlijnen

  1. Louis Pasteur: Biografie, uitvindingen, experimenten en feiten
  2. Wat is de structuur van stamcellen?
  3. Binnenkort zullen er krekels naar Las Vegas neerdalen, maar niet degene die je denkt
  4. Het ontsluiten van de geheimen van interacties tussen planten en elektromagnetische velden:een uitgebreid overzicht
  5. Seks en macht in het dierenrijk:zeven dieren die je doen nadenken over wat je denkt te weten
  6. Onderzoekers verwachten dat nieuwe vispassage de trekvispopulaties zal herstellen
  7. Van wild tot gedomesticeerd:wetenschappers onthullen 100.000 jaar voortdurende evolutie van rijst
  8. Dreigt voorgeschreven brand kwartelsnesten?
  9. Beoordeling van op SERS gebaseerde sensoren voor landbouwtoepassingen

Wetenschap