מהנדסים אוסטרלים גילו דרך חדשה לשלוט במדויק על אלקטרונים בודדים השוכנים בנקודות קוונטיות שמריצות שערים לוגיים. יתרה מכך, המנגנון החדש פחות מגושם ודורש פחות חלקים, מה שעלול להתגלות חיוני להפיכת מחשבי סיליקון קוונטיים בקנה מידה גדול למציאות.
התגלית המופלאה, שנעשתה על ידי מהנדסים בסטארט-אפ המחשוב הקוונטי Diraq ו-UNSW סידני, מפורטת בכתב העת טבע ננוטכנולוגיה.
"זה היה אפקט חדש לחלוטין שמעולם לא ראינו קודם לכן, שלא ממש הבנו בהתחלה", אמר המחבר הראשי ד"ר וויל גילברט, מהנדס מעבדים קוונטיים בדיראק, חברת ספין-אוף של UNSW שבסיסה בסידני שלה. קַמפּוּס. "אבל מהר מאוד התברר שזו דרך חדשה וחזקה לשליטה בספינים בנקודה קוונטית. וזה היה סופר מרגש".
שערים לוגיים הם אבן הבניין הבסיסית של כל חישוב; הם מאפשרים ל"סיביות" - או לספרות בינאריות (0 ו-1) - לעבוד יחד כדי לעבד מידע. עם זאת, סיבית קוונטית (או קיוביט) קיימת בשני המצבים הללו בבת אחת, מצב המכונה "סופרפוזיציה". זה מאפשר שפע של אסטרטגיות חישוב - חלקן מהירות יותר באופן אקספוננציאלי, חלקן פועלות בו-זמנית - שהן מעבר למחשבים קלאסיים. קוויביטים עצמם מורכבים מ"נקודות קוונטיות," ננו-מכשירים זעירים שיכולים ללכוד אלקטרוני אחד או כמה אלקטרונים. שליטה מדויקת של האלקטרונים נחוצה כדי שהחישוב יתרחש.
מהנדסי Diraq גילו דרך חדשה לשלוט במדויק על אלקטרונים בודדים השוכנים בנקודות קוונטיות שמריצות שערים לוגיים, ומקרבת את המציאות של השגת מיליארד קיוביטים קוונטיים. יתרה מכך, המנגנון החדש פחות מגושם ודורש פחות חלקים, מה שעלול להתגלות חיוני להפיכת מחשבי סיליקון קוונטיים בקנה מידה גדול למציאות. קרדיט: דיראק
שימוש בשדות חשמליים ולא מגנטיים
תוך כדי ניסויים בשילובים גיאומטריים שונים של מכשירים בגודל של מיליארדיות המטר בלבד השולטים בנקודות קוונטיות, יחד עם סוגים שונים של מגנטים זעירים ואנטנות המניעות את הפעולות שלהם, ד"ר טואומו טנטו נתקל באפקט מוזר.
"ניסיתי להפעיל במדויק שער של שני קיוביטים, חזרתי דרך הרבה מכשירים שונים, גיאומטריות מעט שונות, ערימות חומרים שונים וטכניקות בקרה שונות", נזכר ד"ר Tanttu, מהנדס מדידה בדיראק. "ואז צצה הפסגה המוזרה הזו. זה נראה כאילו קצב הסיבוב של אחד הקיוביטים מואץ, דבר שמעולם לא ראיתי בארבע שנים של הפעלת הניסויים האלה."
מה שהוא גילה, הבינו המהנדסים מאוחר יותר, היה דרך חדשה לתמרן את המצב הקוונטי של יחיד. קיוביט על ידי שימוש בשדות חשמליים, במקום בשדות המגנטיים שבהם השתמשו בעבר. מאז התגלית ב-2020, המהנדסים משכללים את הטכניקה - שהפכה לכלי נוסף בארסנל שלהם כדי להגשים את שאיפתו של דיראק לבנות מיליארדי קיוביטים על שבב בודד.
קונספט אמן של קיוביט בודד המוחזק בתוך נקודה קוונטית מתהפך בתגובה לאות של מיקרוגל. קרדיט: טוני מלוב
"זוהי דרך חדשה לתמרן קיוביטים, והיא פחות מגושמת לבנות - אתה לא צריך לייצר מיקרו-מגנטים של קובלט או אנטנה ממש ליד הקיוביטים כדי ליצור את אפקט הבקרה", אמר גילברט. "זה מסיר את הדרישה של הצבת מבנים נוספים סביב כל שער. אז, יש פחות עומס."
שליטה על אלקטרונים בודדים מבלי להפריע לאחרים בקרבת מקום חיונית לעיבוד מידע קוונטי בסיליקון. ישנן שתי שיטות מבוססות: "תהודה ספין אלקטרונים" (ESR) באמצעות אנטנת מיקרוגל על-שבב; ותהודה ספין דיפול חשמלי (EDSR), המסתמך על שיפוע מושרה השדה המגנטי. הטכניקה החדשה שהתגלתה ידועה בשם "ספין-מסלול EDSR פנימי".
"בדרך כלל, אנו מתכננים את אנטנות המיקרוגל שלנו כדי לספק שדות מגנטיים בלבד", אמר ד"ר Tanttu. "אבל עיצוב האנטנה המסוים הזה יצר יותר שדה חשמלי ממה שרצינו - וזה התברר כמזל, כי גילינו אפקט חדש שאנחנו יכולים להשתמש בו כדי לתמרן קיוביטים. זו שלווה בשבילך."
מבט ממעוף הציפור של אחת המעבדות של דיראק בסידני, אוסטרליה. קרדיט: שון דאהרטי
Discovery מקרב את המחשוב הקוונטי של סיליקון
"זו פנינה של מנגנון חדש, שרק מוסיף לשלל הטכנולוגיה הקניינית שפיתחנו במהלך 20 שנות המחקר האחרונות", אמר פרופ' אנדרו דזוראק, מנכ"ל ומייסד Diraq, ופרופסור להנדסה קוונטית ב-UNSW , שהוביל את הצוות שבנה את שער ההיגיון הקוונטי הראשון בסיליקון ב-2015.
"זה מתבסס על העבודה שלנו להפוך את המחשוב הקוונטי בסיליקון למציאות, המבוסס בעצם על אותה טכנולוגיית רכיבי מוליכים למחצה כמו שבבי מחשב קיימים, במקום להסתמך על חומרים אקזוטיים", הוסיף. "מכיוון שהיא מבוססת על אותה טכנולוגיית CMOS כמו תעשיית המחשבים של ימינו, הגישה שלנו תקל ומהיר יותר להתרחב לייצור מסחרי ולהשיג את המטרה שלנו לייצר מיליארדי קיוביטים על שבב יחיד".
CMOS (או מוליך מתכת-תחמוצת-למחצה משלים, מבוטא "רואה-אזוב") הוא תהליך הייצור בלב המחשבים המודרניים. הוא משמש לייצור כל מיני רכיבי מעגל משולבים - כולל מיקרו-מעבדים, מיקרו-בקרים, שבבי זיכרון ומעגלים לוגיים דיגיטליים אחרים, כמו גם מעגלים אנלוגיים כגון חיישני תמונה וממירי נתונים.
איור של קיוביט בודד כאשר ir מתחיל להאיץ בתגובה לאות של מיקרוגל, והאלקטרון מתחיל לקרשק בתוך הנקודה הקוונטית. קרדיט: טוני מלוב
בניית מחשב קוונטי כונתה "מרוץ החלל של המאה ה-21" - אתגר קשה ושאפתני עם פוטנציאל לספק כלים מהפכניים להתמודדות עם חישובים בלתי אפשריים אחרת, כגון תכנון של תרופות מורכבות וחומרים מתקדמים, או החיפוש המהיר. של מסדי נתונים מסיביים, לא ממוינים.
"לעיתים קרובות אנו חושבים על הנחיתה על הירח כעל הפלא הטכנולוגי הגדול ביותר של האנושות", אמר דז'וראק. "אבל האמת היא ששבבי ה-CMOS של היום - עם מיליארדי התקנים הפעלה המשולבים יחד כדי לעבוד כמו סימפוניה, ושאתם נושאים בכיס - זה הישג טכני מדהים, ואחד שחולל מהפכה בחיים המודרניים. מחשוב קוונטי יהיה מדהים באותה מידה".
