Kuantum teknolojisinde yeni atılım: silikon çipte elektron spini ve fotonun eşleşmesi
Kılavuz
Son zamanlarda, Hollanda'daki Delft Teknoloji Üniversitesi'nden (TU Delft) Profesör Vandersypen liderliğindeki bir bilim insanı ekibi, bir silikon kuantum çipinde elektron spininin kuantum bilgisinin fotonlara iletilebileceğini gösterdi. Bu araştırma, kübitleri çip boyunca bağlamak ve kübit sayısını artırmak için çok önemlidir.
arka fon
Kuantum bilgisayarlar, klasik bilgisayarların çok ötesinde, büyük paralel hesaplama yeteneklerini göstermek için iki "hayalet benzeri" kuantum fiziği "süperpozisyon" ve "dolaşıklık" ilkesine güvenir. Teoride, kuantum bilgisayarlar, dünyanın en güçlü klasik bilgisayarının uzun bir süre sonra çözebileceği karmaşık hesaplama problemlerini çok hızlı bir şekilde çözebilir.
Kuantum bilgisayarlar bu kadar güçlü bilgi işlem gücüne nasıl ulaştı? Yazar size bir önceki makalede tanıttı, bugün tekrar gözden geçirelim.
Klasik bilgisayarlar tarafından bilgi depolamak için kullanılan bitlerden (0 veya 1) farklı olarak, kuantum bilgisayarlar bilgileri ifade etmek için kübit kullanır. Bir kübit, aynı anda "yani 0 ve 1" durumunda olabilen iki durumlu bir kuantum sistemidir (örneğin: foton polarizasyon durumu veya elektron dönüş durumu, vb.). Örneğin, belirli bir anda, iki bitlik bir klasik bilgisayar yalnızca dört ikili sayıyı saklayabilir: 00, 01, 10, 11'den biri; iki kübitlik bir kuantum bilgisayar bu dördünü aynı anda depolayabilir. Sayı, çünkü her kübit aynı anda iki sayıyı temsil edebilir. Diğer bir deyişle, 4 sayıyı okurken, bir kuantum bilgisayar bunu bir kez yapabilirken, klasik bir bilgisayar bunu 4 kez sırayla yürütmek zorundadır. Bu nedenle, kübitler arttıkça, sistemde depolanan bilgi miktarı katlanarak artacaktır.
Günümüzde dünyanın dört bir yanındaki ülkeler kuantum teknolojisine yönelik araştırma ve geliştirmelerini artırmakta ve kuantum teknolojisi ile ilgili rekabet yoğun bir şekilde yürütülmektedir. Dünyanın her yerinden bilim adamları daha hızlı, daha çok yönlü, daha küçük, daha güvenilir kuantum işlemciler yaratmayı ve daha fazla kübite sahip olmayı umuyor. Daha önce yazarın birçok makalesi ilgili yenilikleri tanıttı.
Örneğin, Avustralya ve Hollanda'daki araştırma ekipleri dünyanın ilk silikon kuantum bilgisayar çipini tasarladı. Silikon spin kübitlerinin yeni şemasına dayanarak, yaygın olarak kullanılan "silikon" mikro işlemciyi yeniden tasarladılar ve en standart süreçler ve bileşenlerle üretilebilen yepyeni bir silikon kuantum bilgisayar çipi tasarladılar.
(Fotoğraf kredisi: Tony Melov / UNSW)
Başka bir örnek olarak, Harvard Üniversitesi profesörleri Mikhail Lukin, Markus Greiner ve MIT profesörü Vladan Vuletic liderliğindeki bilimsel araştırma ekibi Harvard Fizik Laboratuvarı, maddeyi manipüle etmek için kuantum simülatörü olarak da adlandırılan özel bir kuantum bilgisayar geliştirdi. Qubit'ler. Lazeri başarıyla bir tuzağa ayarladı, lazer aracılığıyla ultra soğuk rubidyum atomlarını yakaladı, 51 kübit arasındaki etkileşimi kontrol etti, belirli bir sırayla düzenledi ve ardından gerekli hesaplamaları yapmak için kuantum mekanizmaları kullandı.
(Fotoğraf kredisi: Christine Daniloff / MIT)
Yenilikçilik
Hollanda'daki Delft Teknoloji Üniversitesi (TU Delft) de küresel kuantum işlemci araştırma ve geliştirme yarışmasına aktif olarak katılıyor TU Delft'in araştırma enstitüsü QuTech birkaç kuantum yongası geliştirmek için çok çalışıyor. Son zamanlarda, Hollanda'daki Delft Teknoloji Üniversitesi'nden (TU Delft) Profesör Vandersypen liderliğindeki bir bilim insanı ekibi, bir silikon kuantum çipinde elektron spininin kuantum bilgisinin fotonlara iletilebileceğini gösterdi. Bu, kübitleri yonga boyunca bağlamak ve kübit sayısını artırmak için çok önemlidir. Araştırma sonuçları Science'ın 25 Ocak sayısında yayınlandı.
(Resim kaynağı: TU Delft)
teknoloji
Önce malzemeye odaklanalım. Bu kuantum bilgisayarın çekirdeği silikondan yapılmıştır. Kavli Nanobilim Enstitüsü Delft ve QuTech profesörü Lieven Vandersypen şöyle açıkladı: "Bu bizim çok aşina olduğumuz bir materyal. Silikon, transistörlerde yaygın olarak kullanılmaktadır ve hepsinde mevcuttur Elektronik cihazlarda. Bununla birlikte silikon, kuantum teknolojisi için de çok umut verici bir materyal. Doktora öğrencisi Guoji Zheng, "Silikondaki tek tek elektronları kübit olarak yakalamak için bir elektrik alanı kullanabiliriz. Bu çok çekici bir malzeme çünkü kübit içindeki bilgilerin uzun süre saklanabilmesini sağlıyor."
(Resim kaynağı: TU Delft)
İkincisi, kübitlere odaklanalım. Yararlı hesaplamalar çok sayıda kübit gerektirir. Kübit sayısını büyük bir ölçeğe çıkarmak küresel bir zorluk olacaktır. Araştırmacı Nodar Samkharadze, Aynı anda birçok kübiti kullanabilmek için bu kübitlerin birbirine bağlanması ve iyi bir iletişimin olması gerekiyor. Dedi. Şu anda kübit olarak yakalanan elektronlar yalnızca komşuları ile doğrudan temas halinde olabiliyor. Nodar, "Bu, kübit sayısını artırmayı çok zorlaştırıyor" dedi.
Diğer kuantum sistemleri genellikle uzun mesafeli etkileşim için fotonları kullanır. Örneğin, yazar bir keresinde İspanyol araştırmacılar tarafından uygulanan temel bir "hibrit" kuantum ağ bağlantısını tanıttı.İlk kez, farklı laboratuvarlarda bulunan iki farklı kuantum düğümü arasındaki optik kuantum iletişimi için bir bilgi taşıyıcısı olarak tek bir foton kullanıldı.
(Resim kaynağı: ICFO / Scixel)
Uzun mesafeli iletişim için fotonların kullanımı uzun yıllar boyunca silikonun da ana hedefi olmuştur. Ancak son yıllarda bilim adamları bu alanda ilerleme kaydetti. Son zamanlarda, Delft bilim adamları, tek bir elektron dönüşünün ve tek bir fotonun bir silikon çip üzerinde birleştirilebileceğini gösterdi. Bu eşleşme, prensip olarak spin ve fotonlar arasında bilgi transferini mümkün kılar.
değer
Guoji Zheng, "Bu, kübitleri uzaktaki silikon yongalara bağlamak için önemlidir ve birden fazla silikon yongadaki kübit sayısını artırmanın yolunu açar."
Vandersypen ekibiyle gurur duyuyor ve şunları söyledi: "Ekibim bu yeniliği nispeten kısa bir süre içinde tamamladı ve küresel rekabetin yarattığı muazzam baskıya rağmen." Bu gerçek bir Delft atılımı. Nodar Samkharadze şunları ekledi: "Alt tabaka Delft'te yapıldı ve çip de Delft'in temiz odasında yapıldı. Tüm ölçümler QuTech'te gerçekleştirildi."
gelecek
Bilim adamları sonraki adımlar için çok çalışıyorlar. Vandersypen şunları söyledi: "Şimdi amaç, elektron spin bilgisini fotonlar aracılığıyla bir başkasına aktarmak."
Anahtar kelime
Elektron, kuantum, foton
Referans
[1] https://www.tudelft.nl/en/2018/tu-delft/quantum-race-accelerates-development-of-silicon-quantum-chip/
2 N. Samkharadze, G. Zheng, N. Kalhor, D. Brousse, A. Sammak, U. C. Mendes, A. Blais, G. Scappucci, L. M. K. Vandersypen tarafından. Silikonda güçlü spin-foton bağlantısı . Science, 2018 DOI: 10.1126 / science.aar4054
