اولین نمایش کنترل کیوبیت های اسپین کدگذاری شده

7 مارس 2023 -توسط آزمایشگاه HRL-رندر یک دستگاه SLEDGE شش نقطه در سیلیکون، که منطق کلی را با کیوبیت های اسپین کدگذاری شده پیاده سازی می کند. اعتبار: آزمایشگاه های HRL

آزمایشگاه HRL، LLC، اولین نمایش کنترل کلی کیوبیت‌های اسپین کدگذاری شده را منتشر کرده است. این رویکرد جدید در محاسبات کوانتومی از معماری جدید کیوبیت مبتنی بر سیلیکون استفاده می‌کند که در اتاق تمیز مالیبو HRL ساخته شده است تا تک تک الکترون‌ها را در نقاط کوانتومی به دام بیندازند. اسپین‌های سه الکترون منفرد میزبان حالت‌های کیوبیت منحط انرژی هستند که توسط برهمکنش‌های تماس نزدیک‌ترین همسایه کنترل می‌شوند که تا حدی حالت‌های اسپین را با حالت‌های همسایه‌های خود عوض می‌کنند.

آزمایش HRL که قبل از انتشار در مجله Nature به صورت آنلاین منتشر شد، کنترل کلی کیوبیت‌های کدگذاری شده آنها را نشان داد، به این معنی که کیوبیت‌ها می‌توانند با موفقیت برای هر نوع پیاده‌سازی الگوریتم محاسباتی کوانتومی استفاده شوند. کیوبیت‌های نقطه کوانتومی سیلیکون/سیلیکون ژرمانیوم رمزگذاری‌شده از سه اسپین الکترونی و یک طرح کنترلی استفاده می‌کنند که به موجب آن ولتاژهای اعمال شده بر روی دروازه‌های فلزی تا حدی جهت آن اسپین‌های الکترون را بدون هم‌تراز کردن آنها در جهت خاصی تغییر می‌دهند. این نمایش شامل اعمال هزاران مورد از این پالس‌های ولتاژ دقیق کالیبره‌شده در ارتباط دقیق با یکدیگر در طول چند میلیونیم ثانیه بود. عنوان مقاله “منطق کلی با کیوبیت های اسپین کدگذاری شده در سیلیکون” است.

Aaron Weinstein، دانشمند HRL و نویسنده اول، می گوید: «فرای چالش های آشکار طراحی و ساخت، نرم افزارهای قوی زیادی باید نوشته می شد، به عنوان مثال برای تنظیم و کالیبره کردن طرح کنترلی ما تلاش قابل توجهی برای ایجاد روال‌های خودکار و کارآمد برای تعیین اینکه ولتاژ اعمال شده به چه درجه‌ای از تعویض جزئی منجر می‌شود، انجام شد. از آنجایی که هزاران عملیات از این قبیل باید برای تعیین سطوح خطا اجرا می‌شد، هر کدام باید دقیق می‌بود. ما سخت تلاش کردیم تا به آن برسیم. تمام آن کنترل با دقت بالا کار می کند.”

میچ جونز، رهبر گروه HRL و یکی از نویسندگان، گفت: «این یک تلاش بسیار تیمی بود. کار توانمندسازی نرم‌افزارهای کنترل با استعداد، تئوری، رشد دستگاه و تیم‌های ساخت بسیار مهم بود. علاوه بر این، اندازه‌گیری‌های بسیاری از دستگاه‌ها برای درک کافی از فیزیک داخلی و توسعه روال‌هایی برای کنترل قابل اعتماد این فعل و انفعالات مکانیکی کوانتومی مورد نیاز بود. این کار و نشان دادن نقطه اوج آن اندازه‌گیری‌ها است که با گذشت زمان کار در کنار برخی از باهوش‌ترین دانشمندانی که من ملاقات کرده‌ام، بهتر شد.»

Thaddeus Ladd، رهبر گروه HRL و یکی از نویسندگان، گفت: «تعریف بهترین فناوری کیوبیت سخت است، اما من فکر می‌کنم کیوبیت تنها با تبادل سیلیکونی حداقل بهترین تعادل را دارد. چالش‌های واقعی در بهبود خطا، مقیاس، سرعت، یکنواختی، تداخل و سایر جنبه‌ها باقی می‌ماند، اما هیچ‌کدام از اینها نیاز به معجزه ندارند. برای بسیاری از انواع کیوبیت‌های دیگر، حداقل یک جنبه وجود دارد که هنوز واقعاً سخت به نظر می‌رسد.»

زمانی که کامپیوترهای کوانتومی در مقیاس شناخته شوند، با ابرکامپیوترهای سنتی متفاوت خواهند بود زیرا از ویژگی شکننده مکانیک کوانتومی به نام درهم تنیدگی کوانتومی برای انجام محاسبات معینی در مدت زمان بسیار کوتاهی استفاده می‌کنند که برای کامپیوترهای سنتی سال‌ها یا دهه‌ها طول می‌کشد. در میان بسیاری از کاربردهای ممکن، یک مثال از محاسبات، شبیه سازی رفتار مولکول های بزرگ است.

برای توصیف اتم‌های یک مولکول، تنها به مقدار کمی داده نیاز است، اما برای محاسبه تمام حالات مکانیکی کوانتومی که الکترون‌های موجود در مولکول ممکن است داشته باشند، فضای کاری بسیار بزرگ لازم است. شبیه‌سازی‌های شیمی کوانتومی می‌توانند به طور چشمگیری بر بسیاری از جهت‌های فناوری از توسعه مواد گرفته تا کشف دارو و توسعه فرآیندهایی برای کاهش تغییرات آب و هوایی تأثیر بگذارند.