Dünyanın ilk atom düzeyinde üç boyutlu silikon kuantum çip mimarisi açıklandı!
Kılavuz
Son zamanlarda, Avustralya'daki Yeni Güney Galler Üniversitesi, üç boyutlu bir silikon kuantum çipi oluşturmak için tek atom teknolojisini kullandı ve doğru katman hizalaması ve dönüş durumu ölçümü elde etti. Bu araştırma, büyük ölçekli, ticari olarak temin edilebilen bir kuantum bilgisayar oluşturma hedefine doğru önemli bir adım olarak kabul ediliyor.arka fon
Günümüzde dünya, kuantum bilgisayarlar üzerine bir araştırma dalgası başlatıyor. Teorik olarak konuşursak, dünyanın en güçlü klasik bilgisayarının karmaşık hesaplama problemlerini çözmesi uzun zaman alır, kuantum bilgisayarlar için çözmesi kolaydır. Kuantum bilgisayarların problemleri klasik bilgisayarlardan milyonlarca kez daha hızlı çözebildiği söyleniyor.
Klasik bir bilgisayarda kullanılan bilgi "bitler (0 veya 1)" dir; kuantum bilgisayarlarda kullanılan bilgi "kübitler" dir. Bitlerden farklı olarak kübitler, kuantum fiziğinde iki "hayaletimsi" ilkeyi kullanır: şaşırtıcı hesaplama gücü üretmek için "dolaşıklık" ve "süperpozisyon". Basitçe ifade etmek gerekirse, bir kübit iki durumlu bir kuantum sistemidir (bir foton polarizasyon durumu veya bir elektron dönüş durumu gibi) ve klasik fizik tarafından açıklanamayan harika bir durumda olabilir: "0 ve 1'in süperpozisyonu."
Bu harika durum için en iyi açıklama, kuantum teorisinin bir düşünce deneyidir: Schrödinger'in kedisi. Aşağıdaki resimde gösterildiği gibi: Gizli bir odaya bir kedi bir şişe zehirle kapatılmıştır. Zehir şişesinin üzerinde bir çekiç vardır Çekiç, radyoaktif atomlar tarafından kontrol edilen bir elektronik anahtarla kontrol edilir. Çekirdek bozulursa, alfa parçacıkları serbest bırakılırsa, elektronik anahtar çalıştırılır, çekiç düşer, zehir şişesini kırar ve içindeki siyanür gazını serbest bırakır ve kedi şüphesiz ölür.
(Resim kaynağı: Wikipedia)
Ancak çekirdeğin bozulması rastgele bir olaydır. Başka bir deyişle, fizikçiler ne zaman bozulduğunu bilemezler. Günlük deneyime dayanarak gizli odanın kapağını kaldırmazsak, "kedi ya ölü ya da diri" sonucuna varabiliriz. "Ölü" ve "yaşayan", kedilerin iki özdurumu haline geldi. O halde, bu kediyi Schrödinger'in denklemi ile tarif etmek için, sadece "ölü" ve "canlı" nın üst üste geldiği söylenebilir. Sadece kapağı açtığımızda "gözlem" yoluyla kedinin ölü mü diri mi olduğunu tam olarak bilebiliriz. Bu zamanda, kedinin oluşturduğu dalga fonksiyonu, süperpozisyon durumundan belirli bir özduruma anında küçülür.
"Schrödinger's Cat" e benzer şekilde, kübitler 0 ve 1 süperpozisyon durumundadır. Belirli bir anda, klasik bir bit 0 ve 1'den yalnızca birini temsil edebilirken, bir kübit aynı anda ikiyi temsil edebilir. Başka bir deyişle, bu iki değeri okumak istediğimizde, kübitler bir kez tamamlanabilir ve bitlerin sırayla iki kez çalıştırılması gerekir. Benzetme yapmak gerekirse, kübit sayısı artmaya devam ettiğinde, kuantum bilgisayarların hesaplama gücü katlanarak artacaktır.
Şu anda, dünya çapında geliştirilmekte olan en az beş büyük kuantum hesaplama çözümü var: silikon spin kübitleri, süper iletken kübitler, iyon tuzakları, elmas boşlukları ve topolojik kübitler. Bir önceki makalede yazar, ilgili araştırmaya bazı girişler yapmıştı. Bununla birlikte, bugün ana odak noktası: silikon spin kübitleri. Nedeni basit: Silikon, küresel yarı iletken endüstrisinde yaygın olarak kullanılan temel malzemedir. Silikon spin kübitleri üzerine yapılan araştırma, basit üretim ve büyük ölçekli kübit üretimine ulaşmamıza ve sonunda ticari kuantum bilgisayarları gerçekleştirmemize yardımcı olacak.
Avustralya'daki New South Wales Üniversitesi'ndeki (UNSW) araştırma ekibi bu konuda çok ilerleme kaydetmiştir. Örneğin, Aralık 2017'de araştırmacılar, standart süreçler ve bileşenler aracılığıyla üretilebilen ve yaygın olarak kullanılan "silikon" mikro işlemciyi yeniden tasarlayarak dünyanın ilk silikon kuantum bilgisayar çipini tasarladı.
(Fotoğraf kredisi: Tony Melov / UNSW)
Yenilikçilik
Son zamanlarda, New South Wales Üniversitesi'ndeki araştırmacılar yeni ilerleme kaydetti. Araştırmaları, öncülük ettikleri tek atom teknolojisinin üç boyutlu silikon kuantum çipleri oluşturmak ve hassas katman hizalaması ve dönüş durumu ölçümü elde etmek için uygulanabileceğini gösteriyor. Bu üç boyutlu mimari, büyük ölçekli bir kuantum bilgisayar inşa etme planında önemli bir adım olarak kabul edilir.
New South Wales Üniversitesi'nden araştırmacılar, Avustralya'nın tanınmış Kuantum Hesaplama ve İletişim Teknolojisi Mükemmeliyet Merkezi'nde (CQC2T) ilk kez, evrensel bir kuantum bilgisayar hedefine doğru ilerleyerek üç boyutlu cihazlarda atom düzeyinde hassas kübit oluşturabileceklerini gösterdiler. Önemli bir adım.
2018'in Olağanüstü Avustralyalı ve CQC2T Direktörü Profesör Michelle Simmons, atom düzeyinde kübit üretim teknolojisini genişletebileceklerini ve bunu çok katmanlı silikon kristallere uygulayabileceklerini, böylece 2015'te icat ettikleri üç boyutlu çip mimarisinde önemli bir unsuru gerçekleştirebileceklerini söyledi. Yeni araştırma 7 Ocak'ta Nature Nanotechnology dergisinde yayınlandı.
Makalenin yazarları, Dr.Joris Keizer ve Profesör Michelle Simmons (Resim kaynağı: UNSW)
teknoloji
2015 yılında, New South Wales Üniversitesi'ndeki araştırmacılar, atom düzeyinde üretim teknolojisiyle uyumlu, tek atomlu kübitlere dayalı üç boyutlu bir silikon çip mimarisi tasarladı. Kavramsal tasarımda, bir çizgi boyunca tek boyutlu bir kübit dizisinden aynı düzlemde iki boyutlu bir kübit dizisine dönüştüler ve iki boyutlu dizinin daha güçlü hata düzeltme yetenekleri var.
(Resim kaynağı: UNSW)
Üç boyutlu mimaride, kübit katmanı, bir sandviç gibi iki "tel örgü" katmanı arasında sıkıştırılır. Bu hatlardan bazılarına voltaj uygulamak, birden fazla kübiti paralel olarak kontrol edebilir ve daha az kontrolle bir dizi işlemi gerçekleştirme amacına ulaşır. Buradaki nokta, iki boyutlu bir "yüzey kodu" hata düzeltme protokolü uygulamış olmalarıdır. Bu hata düzeltme protokolü sayesinde, hesaplamadaki olası herhangi bir hata zaman içinde düzeltilebilir.
(Resim kaynağı: UNSW)
Yakın tarihli bir çalışmada, araştırma ekibi ilk olarak bu mimarinin uygulanabilirliğini gösterdi. Bu üç boyutlu tasarımda mimari, aslında çok ince çizgiler olan kontrol çizgileriyle hizalanmış atom düzeyinde kübitleri kullanır. Ek olarak, ekip ayrıca üç boyutlu bir cihazdaki farklı katmanları nanometre hassasiyetiyle hizaladı ve bir seferde birden çok kuantum durumunun okunduğunu, yani bir ölçümün çok yüksek doğruluk sağladığını gösterdi.
(Resim kaynağı: UNSW)
Profesör Simmons şunları söyledi: "Atomik silikon kübitler için, bu üç boyutlu cihaz mimarisi önemli bir gelişmedir. Kuantum hesaplamadaki hataları sürekli olarak düzeltebilmek için (alanımızda çok önemli bir kilometre taşı), yapabilmeniz gerekir. Paralel olarak birçok kübiti kontrol edin. "
"Bunu başarmanın tek yolu, üç boyutlu bir mimari kullanmaktır. Bu nedenle, 2015'te dikey bir çapraz geçiş mimarisi geliştirdik ve bir patent başvurusunda bulunduk. Ancak, bu tür çok katmanlı cihazların üretimi hala bir dizi ilgili zorluklarla karşı karşıya. Şimdi Bu sonuç sayesinde, birkaç yıl önce öngördüğümüz gibi, program tasarımımızın üç boyutlu olarak tasarlanabileceğini gösterebiliriz. "
Bu makalede ekip, kübitlerin ikinci kontrol düzleminin veya birinci katmanın üstündeki katmanın nasıl oluşturulacağını gösterdi. CQC2T araştırmacısı ve makalenin ortak yazarlarından biri olan Joris Keizer şunları söyledi: Bu oldukça karmaşık bir süreç, ancak basit bir ifadeyle, ilk düzlemi oluşturduk ve ardından ikinci katmanı birinci düzlemi etkilemeden büyütmek için bir teknik optimize ettik. Birinci kattaki yapı. "
"Geçmişte, eleştirmenler bunun imkansız olduğunu söylerdi çünkü ikinci katmanın yüzeyi o kadar pürüzlü hale geldi ki, bizim kesin teknolojimizi kullanamazsınız. Ancak, beklenmedik bir şekilde, bu yazıda, Bunu yapabiliriz. Ekip ayrıca bu çok katmanlı yapıları nanometre hassasiyetiyle hizalayabileceklerini de gösterdi.
Dr. Keizer şunları söyledi: İlk silikon katman üzerine bir şey yazıp ardından üzerine başka bir silikon katman yerleştirirseniz, yine de konumunuzu belirlemeniz ve bileşenleri iki katmandaki hizalamanız gerekir. Nanometre hizalama doğruluğu oldukça tuhaf. "
(Resim kaynağı: UNSW)
Son olarak, araştırmacılar, üç boyutlu bir cihazın kübit çıktısını "tek seferde", yani ortalama milyonlarca deneye güvenmek yerine doğru bir ölçüme dayanarak ölçebilirler. Dr. Keizer açıkladı: "Bu, daha hızlı ölçeklememize yardımcı olacak."
değer
Profesör Simmons, bu araştırmanın bu alanda önemli bir kilometre taşı olduğunu söyledi. "Bu teknolojiyi nihayet ticarileştirmemizi sağlayacak büyük ölçekli bir mimari için sistematik olarak çalışıyoruz" dedi.
"Büyük ölçekli ticari kuantum bilgisayarlardan hala en az on yıl uzak olmamıza rağmen, CQC2T'nin çalışmaları hala bu alanın ön saflarında yer alıyor. Bunun gibi özel başarılar, bu alanda güçlü olduğumuzu tüm dünyaya yineledi. Durum. "
Anahtar kelime
Kuantum bilgisayar, kübit, silikon, yarı iletken, yongaReferans
[1] https://newsroom.unsw.edu.au/news/science-tech/quantum-scientists-demonstrate-world-first-3d-atomic-scale-quantum-chip
[2] https://newsroom.unsw.edu.au/news/science-tech/researchers-design-architecture-quantum-computer-silicon
3 Matthias Koch, Joris G. Keizer, Prasanna Pakkiam, Daniel Keith, Matthew G. House, Eldad Peretz, Michelle Y. Simmons. Tam epitaksiyel üç boyutlu bir transistörde atomik kübitlerde okuma dönüşü Doğa Nanoteknolojisi, 2019; DOI: 10.1038 / s41565-018-0338-1
