La scoperta di effetti precedentemente sconosciuti rende possibile un controllo compatto e ultrarapido degli spin qubit.
Illustrazione che mostra come è possibile controllare più qubit utilizzando il nuovo processo 'intrinsic spin-orbit EDSR'. Immagine: Tony Melov.
UNSW Sydney gli ingegneri hanno scoperto un nuovo modo di controllare con precisione i singoli elettroni annidati in punti quantici che eseguono porte logiche. Il nuovo meccanismo è anche meno ingombrante e richiede meno parti, il che potrebbe rivelarsi essenziale per realizzare computer quantistici al silicio su larga scala.
La scoperta fortuita, fatta dagli ingegneri della start-up di calcolo quantistico Dirak e UNSW, è dettagliato nella rivista Natura Nanotecnologia.
"Questo è stato un effetto completamente nuovo che non avevamo mai visto prima, che all'inizio non abbiamo capito bene", ha detto l'autore principale, il dott. Will Gilbert, ingegnere di processori quantistici presso Diraq, una società spin-off dell'UNSW con sede nel campus di Kensington. . “Ma è diventato subito chiaro che si trattava di un nuovo potente modo di controllare gli spin in un punto quantico. Ed è stato super eccitante.
Le porte logiche sono l'elemento base di tutti i calcoli. Consentono ai "bit" - o cifre binarie (0 e 1) - di lavorare insieme per elaborare le informazioni. Tuttavia, un quantistico bit (o qubit) esiste in entrambi questi stati contemporaneamente, una condizione nota come "sovrapposizione". Ciò consente una moltitudine di strategie di calcolo - alcune esponenzialmente più veloci, altre operanti simultaneamente - che vanno oltre i computer classici. Gli stessi qubit sono costituiti da "punti quantici", minuscoli nanodispositivi che possono intrappolare uno o pochi elettroni. Il controllo preciso degli elettroni è necessario affinché avvenga il calcolo.
Utilizzo di campi elettrici anziché magnetici
Durante la sperimentazione con diverse combinazioni geometriche di dispositivi di appena miliardesimi di metro che controllano punti quantici, insieme a vari tipi di minuscoli magneti e antenne che guidano le loro operazioni, Dott. Tuomo Tanttu da Ingegneria UNSW inciampato in uno strano effetto.
"Stavo cercando di far funzionare in modo davvero accurato un gate a due qubit, iterando attraverso molti dispositivi diversi, geometrie leggermente diverse, diverse pile di materiali e diverse tecniche di controllo", ha affermato il dott. Tanttu, che è anche ingegnere di misurazione presso Diraq. “Poi è spuntato questo strano picco. Sembrava che la velocità di rotazione di uno dei qubit stesse accelerando, cosa che non avevo mai visto in quattro anni di esecuzione di questi esperimenti".
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Ciò che aveva scoperto, si resero conto in seguito gli ingegneri, era un nuovo modo di manipolare lo stato quantico di un singolo qubit utilizzando campi elettrici, piuttosto che i campi magnetici che avevano utilizzato in precedenza. Da quando è stata fatta la scoperta nel 2020, gli ingegneri hanno perfezionato la tecnica, che è diventata un altro strumento nel loro arsenale per soddisfare l'ambizione di Diraq di costruire miliardi di qubit su un singolo chip.
"Questo è un nuovo modo di manipolare i qubit ed è meno ingombrante da costruire: non è necessario fabbricare micro-magneti di cobalto o un'antenna proprio accanto ai qubit per generare l'effetto di controllo", ha affermato il dott. Gilbert. “Elimina la necessità di posizionare strutture extra attorno a ciascun cancello. Quindi, c'è meno disordine.
Controllare i singoli elettroni senza disturbare gli altri nelle vicinanze è essenziale per l'elaborazione delle informazioni quantistiche nel silicio. Esistono due metodi consolidati: risonanza di spin elettronico (ESR) che utilizza un'antenna a microonde su chip e risonanza di spin di dipolo elettrico (EDSR), che si basa su un campo magnetico a gradiente indotto. La tecnica appena scoperta è nota come "EDSR intrinseco spin-orbita".
"Normalmente, progettiamo le nostre antenne a microonde per fornire campi puramente magnetici", ha affermato il dott. Tanttu. “Ma questo particolare design dell'antenna ha generato più campo elettrico di quanto volevamo, ma si è rivelato un colpo di fortuna, perché abbiamo scoperto un nuovo effetto che possiamo usare per manipolare i qubit. Questa è la serendipità per te.
Costruire per rendere il calcolo quantistico in silicio una realtà
"Questo è un gioiello di un nuovo meccanismo, che si aggiunge al tesoro di tecnologia proprietaria che abbiamo sviluppato negli ultimi 20 anni di ricerca", ha affermato Il professor Andrea Dzurak, Scientia Professor in Quantum Engineering presso UNSW e CEO e fondatore di Diraq. Il professor Dzurak ha guidato il team che ha costruito il prima porta logica quantistica in silicio in 2015.
“Si basa sul nostro lavoro per rendere il calcolo quantistico in silicio una realtà, basato essenzialmente sulla stessa tecnologia dei componenti semiconduttori dei chip per computer esistenti, piuttosto che fare affidamento su materiali esotici.
Il gruppo di ricerca: il professor Andrew Dzurak, il dottor Will Gilbert e il dottor Tuomo Tanttu. Foto: concedere Turner.
"Poiché si basa sulla stessa tecnologia CMOS dell'industria informatica odierna, il nostro approccio renderà più semplice e veloce la scalabilità per la produzione commerciale e il raggiungimento del nostro obiettivo di fabbricare miliardi di qubit su un singolo chip".
CMOS (o semiconduttore di ossido di metallo complementare, pronunciato "see-moss") è il processo di fabbricazione al centro dei computer moderni. Viene utilizzato per realizzare tutti i tipi di componenti di circuiti integrati, inclusi microprocessori, microcontrollori, chip di memoria e altri circuiti logici digitali, nonché circuiti analogici come sensori di immagini e convertitori di dati.
La costruzione di un computer quantistico è stata definita la "corsa allo spazio del 21° secolo": una sfida difficile e ambiziosa con il potenziale per fornire strumenti rivoluzionari per affrontare calcoli altrimenti impossibili, come la progettazione di farmaci complessi e materiali avanzati, o la ricerca rapida di enormi database non ordinati.
"Spesso pensiamo all'atterraggio sulla Luna come alla più grande meraviglia tecnologica dell'umanità", ha affermato il professor Dzurak. “Ma la verità è che i chip CMOS di oggi, con miliardi di dispositivi operativi integrati insieme per funzionare come una sinfonia e che puoi portare in tasca, rappresentano un risultato tecnico sbalorditivo e hanno rivoluzionato la vita moderna. Il calcolo quantistico sarà altrettanto sorprendente.
