Manyetik olarak havaya kaldırılan kuantum biti tasarım kusurlarını giderebilir

FAMU-FSU Mühendislik Fakültesi ve merkezi Florida Eyalet Üniversitesi’nde bulunan Ulusal Yüksek Manyetik Alan Laboratuvarı’ndaki araştırmacılar, bir kuantum bilgisayarını çalıştırmak için gerekli olan karmaşık bileşenlerdeki tasarım kusurlarını düzeltmek için manyetik kaldırmayı kullanan yeni bir kuantum hesaplama mimarisi tasarladılar.

Kuantum bitleri veya kübitler birkaç nanometre kadar küçük olabilir ve bunların üretilmesi kaçınılmaz olarak yüzeylerinde rastgele kusurlara neden olur. Araştırma, neon parçacıklarını havaya kaldırmak için süper iletken mıknatıslar kullanarak, elektron-on-neon kübit cihazlarındaki bir zorluğu ele alıyor: Elektronların, neon yüzeyindeki küçük rastgele çarpmalar tarafından sıkışıp kalma eğilimi, onların öngörülemez bir şekilde çalışmasına neden oluyor.

Çalışma, şu tarihte yayınlandı: PRX Kuantumdaha tekrarlanabilir ve ölçeklenebilir kuantum hesaplama teknolojilerinin yolunu açmaya yardımcı olabilir.

Florida Eyalet Üniversitesi, FAMU-FSU Mühendislik Fakültesi ve Ulusal Yüksek Manyetik Alan Laboratuvarı veya MagLab’da profesör olan çalışmanın ortak yazarı Wei Guo, “Doğru nano ölçekli özelliğin doğru yerde görünmesini ummak yerine, her bir elektron kübitinin nerede bulunduğuna karar vermek istiyoruz” dedi.

“Manyetik kaldırma bize çipin üzerine temiz bir neon taşıyıcı yerleştirmenin bir yolunu verirken, çip hala kübiti kontrol etmek ve okumak için gereken devreyi sağlıyor. Bu mimaride kübit artık tesadüfen bulunmuyor. Tasarım gereği inşa ediliyor.”

Neon üzerinde elektron kübitleri için yeni bir tasarım

Araştırmacılar, küçük katı neon parçacıklarını çip yüzeyinin üzerinde manyetik olarak tutmak için süper iletken döngüler kullanan bir çip tasarımı önerdiler. Yeni mimari, altındaki alt tabakadan pürüzlülüğü miras alabileceği doğrudan çipin üzerine katı bir neon film yerleştirmek yerine, elektron kubitleri için taşıyıcı olarak neredeyse küresel neon mikro parçacıklarını kullanıyor.

MagLab’da doktora sonrası araştırmacı olan çalışmanın ortak yazarı Yinghe Qi, “Bunu düşünmenin basit bir yolu, elektrona engebeli bir arazide iyi bir nokta bulmasını istemek yerine, oturması için küçük, temiz, yüzen bir ada vermemizdir” dedi. “Altındaki çip hâlâ kübiti kontrol etmek ve okumak için gereken mikrodalga devrelerini sağlıyor.”

Daha iyi bir çip tasarlamak

Çalışma, temiz kuantum malzemelerinin doğrudan çip tabanlı kontrol devreleriyle entegre edildiği yeni bir hibrit kuantum cihazları sınıfına doğru yol açıyor.

Guo, “Bu yazıda tam bir kuantum bilgisayarı oluşturmadık, ancak temel bileşenlerin gerçekçi bir tasarımda birlikte çalışabileceğini gösterdik: temiz elektron sınırlaması, ayarlanabilir kübit enerji seviyeleri, mikrodalga devrelerine güçlü bağlantı ve komşu kübitlerin iletişim kurması için bir yol.” dedi.

Teknolojik avantajlar

Bilgiyi 0 veya 1 olarak depolayan sıradan bilgisayarlardaki bitlerden farklı olarak kübitler, aynı anda birden fazla olasılığı temsil edebilen bilgileri ölçülene kadar işlemek için kuantum mekaniğinin kurallarını kullanır. Kullanışlı bir kuantum bilgisayarı oluşturmak için araştırmacıların temiz, kararlı, kontrol edilebilir ve bir çip üzerinde çok sayıda düzenlenebilecek pratik kübitlere ihtiyacı vardır; bu, elde edilmesi zor özelliklerin bir karışımıdır.

Katı neon üzerinde tutulan tek bir elektronu kullanan neon-elektron kübitleri, doğrulukları ve kuantum bilgilerini hesaplamaları gerçekleştirecek kadar uzun süre muhafaza edebilme yetenekleri nedeniyle kübit tasarımı için umut verici bir platformdur. Elektron temiz bir ortamda bulunurken altındaki çip, kontrol ve okuma için gereken mikrodalga devrelerini sağlıyor.

Bu çalışmada gösterilen tasarım, engebeli bir yüzeyin rastgeleliğini ortadan kaldırmak için havaya kaldırmayı kullanırken bu kübitlerin avantajlarını koruyor.

FAMU-FSU Mühendislik Koleji’nde yardımcı doçent olan çalışmanın ortak yazarı Yiming Xing, “Asıl avantajı tekrarlanabilirliktir” dedi.

“Şu anda, kullanışlı elektron-neon kübitleri, neredeyse doğru kusurun doğru yerde ortaya çıkmasını ummak gibi, rastgele nano ölçekli yüzey özelliklerine bağlıdır. Yaklaşımımız, bu rastgele tuzakları, bir çip üzerinde amaçlanan yerlere yerleştirilmiş, tasarlanmış, temiz neon taşıyıcılarla değiştiriyor. Deneysel olarak gösterilirse, bu, neon-elektron cihazlarını daha öngörülebilir hale getirebilir, istenmeyen şarj gürültüsünü azaltabilir ve daha büyük kübit dizileri oluşturmayı kolaylaştırabilir.”

Çalışan bir prototip oluşturma

Araştırmacılar tasarımlarını elektron-neon kübitinin çalışan bir prototipini oluşturmak için kullanmayı planlıyor.

Tasarımlarının ana bileşenleri (süper iletken döngüler, mikrodalga rezonatörler ve desenli çip yapıları), araştırmacıların tasarımdan prototipe ve ötesine geçmelerine yardımcı olacak, kuantum cihaz araştırmalarında halihazırda kullanılan imalat yöntemleriyle uyumludur.