Skip to content
Home » Quantum computing-ingenieurs stellen nieuwe normen voor de prestaties van siliciumchips

Quantum computing-ingenieurs stellen nieuwe normen voor de prestaties van siliciumchips

    Quantum computing-ingenieurs stellen nieuwe normen voor de prestaties van siliciumchips
    quantum

    Tegoed: Unsplash/CC0 Publiek domein

    Twee milliseconden – of tweeduizendste van een seconde – is een buitengewoon lange tijd in de wereld van kwantumcomputers. Op deze tijdschalen is het knipperen van een oog – op een tiende van een seconde – als een eeuwigheid.


    Nu heeft een team van onderzoekers van UNSW Sydney nieuwe wegen ingeslagen door te bewijzen dat ‘spin-qubits’ – eigenschappen van elektronen die de basiseenheden van informatie in kwantumcomputers vertegenwoordigen – informatie tot twee milliseconden kunnen vasthouden. Bekend als ‘coherentietijd’, de tijdsduur dat qubits kunnen worden gemanipuleerd in steeds gecompliceerdere berekeningen, is de prestatie 100 keer langer dan eerdere benchmarks in dezelfde kwantumprocessor.

    “Een langere coherentietijd betekent dat je meer tijd hebt waarover je kwantuminformatie wordt opgeslagen – en dat is precies wat je nodig hebt bij het uitvoeren van kwantumbewerkingen”, zegt Ph.D. studente mevrouw Amanda Seedhouse, wiens werk in theoretische quantum computing heeft bijgedragen aan de prestatie.

    “De coherentietijd vertelt je in feite hoe lang je alle bewerkingen in welk algoritme of welke volgorde dan ook kunt doen voordat je alle informatie in je qubits bent kwijtgeraakt.”

    Bij quantum computing geldt: hoe meer je spins in beweging kunt houden, hoe groter de kans dat de informatie behouden blijft tijdens berekeningen. Wanneer spin-qubits stoppen met draaien, stort de berekening in en gaan de waarden die door elke qubit worden vertegenwoordigd verloren. Het concept van het uitbreiden van de coherentie werd in 2016 al experimenteel bevestigd door kwantumingenieurs van UNSW.

    De taak nog uitdagender maken, is het feit dat werkende kwantumcomputers van de toekomst de waarden van miljoenen qubits moeten bijhouden als ze enkele van de grootste uitdagingen van de mensheid willen oplossen, zoals het zoeken naar effectieve vaccins, het modelleren van het weer systemen en het voorspellen van de gevolgen van klimaatverandering.

    Eind vorig jaar loste hetzelfde team van UNSW Sydney een technisch probleem op dat ingenieurs al tientallen jaren verbijsterd had over het manipuleren van miljoenen qubits zonder meer warmte en interferentie te genereren. In plaats van duizenden kleine antennes toe te voegen om miljoenen elektronen met magnetische golven te besturen, bedacht het onderzoeksteam een ​​manier om slechts één antenne te gebruiken om alle qubits in de chip te besturen door een kristal te introduceren dat een diëlektrische resonator wordt genoemd. Deze resultaten zijn gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang.

    Dit loste het probleem van ruimte, warmte en ruis op dat onvermijdelijk zou toenemen naarmate er steeds meer qubits online worden gebracht om de verbijsterende berekeningen uit te voeren die mogelijk zijn wanneer qubits niet alleen 1 of 0 vertegenwoordigen zoals conventionele binaire computers, maar beide tegelijk , met behulp van een fenomeen dat bekend staat als kwantumsuperpositie.

    Globaal versus individueel beheer

    Deze proof-of-concept prestatie liet echter nog een paar uitdagingen over om op te lossen. Hoofdonderzoeker mevrouw Ingvild Hansen voegde zich bij mevrouw Seedhouse om deze problemen aan te pakken in een reeks artikelen die in de tijdschriften zijn gepubliceerd Fysieke beoordeling B, Fysieke beoordeling A ander Technische Natuurkunde Beoordelingen-het laatste artikel dat deze week is gepubliceerd.

    Het was een grote stap voorwaarts om miljoenen qubits te kunnen besturen met slechts één antenne. Maar hoewel de controle over miljoenen qubits tegelijk een geweldige prestatie is, zullen werkende kwantumcomputers ze ook individueel moeten manipuleren. Als alle spin-qubits met bijna dezelfde frequentie roteren, hebben ze dezelfde waarden. Hoe kunnen we ze individueel aansturen zodat ze verschillende waarden in een berekening kunnen vertegenwoordigen?

    “Eerst hebben we theoretisch laten zien dat we de coherentietijd kunnen verbeteren door de qubits continu te roteren”, zegt mevrouw Hansen.

    “Als je je een circusartiest voorstelt die borden draait terwijl ze nog draaien, kan de voorstelling doorgaan. Op dezelfde manier, als we continu qubits besturen, kunnen ze informatie langer vasthouden. We toonden aan dat dergelijke ‘aangeklede’ qubits samenhang hadden tijden van meer dan 230 microseconden [230 millionths of a second].”

    Nadat het team had aangetoond dat coherentietijden konden worden verlengd met zogenaamde ‘dressed’ qubits, was de volgende uitdaging om het protocol robuuster te maken en te laten zien dat de globaal aangestuurde elektronen ook individueel kunnen worden aangestuurd, zodat ze verschillende waarden kunnen aanhouden. nodig voor complexe berekeningen.

    Dit werd bereikt door te creëren wat het team het ‘SMART’ qubit-protocol noemde: sinusoïdaal gemoduleerd, altijd roterend en op maat gemaakt.

    In plaats van qubits in cirkels te laten draaien, manipuleerden ze ze om heen en weer te schommelen als een metronoom. Als vervolgens een elektrisch veld afzonderlijk op een qubit wordt toegepast – waardoor het uit resonantie wordt gebracht – kan het in een ander tempo worden gebracht dan zijn buren, maar nog steeds in hetzelfde ritme bewegen.

    “Zie het als twee kinderen op een schommel die vrijwel synchroon vooruit en achteruit gaan”, zegt mevrouw Seedhouse. “Als we een van hen een duwtje geven, kunnen we ervoor zorgen dat ze het einde van hun boog bereiken aan tegenovergestelde uiteinden, zodat de ene een 0 kan zijn terwijl de andere nu een 1 is.”

    Het resultaat is dat een qubit niet alleen individueel (elektronisch) bestuurd kan worden onder invloed van globale aansturing (magnetisch), maar de coherentietijd is, zoals eerder vermeld, aanzienlijk langer en geschikt voor kwantumberekeningen.

    “We hebben een eenvoudige en elegante manier laten zien om alle qubits tegelijk te besturen, die ook betere prestaties oplevert”, zegt Dr. Henry Yang, een van de senior onderzoekers in het team.

    “Het SMART-protocol zal een potentieel pad zijn voor grootschalige kwantumcomputers.”

    Het onderzoeksteam wordt geleid door professor Andrew Dzurak, CEO en oprichter van Diraq, een UNSW-spin-outbedrijf dat kwantumcomputerprocessors ontwikkelt die kunnen worden gemaakt met behulp van standaard siliciumchipproductie.

    Volgende stappen

    “Ons volgende doel is om te laten zien dat dit werkt met twee-qubit-berekeningen nadat we onze proof-of-concept in ons experimenteel document met één qubit hebben getoond”, zegt mevrouw Hansen.

    “Daarna willen we laten zien dat we dit ook voor een handvol qubits kunnen, om te laten zien dat de theorie zich in de praktijk bewezen heeft.”


    Constructie van robuuste en schaalbare moleculaire qubits


    Informatie:
    Amanda E. Seedhouse et al, Quantum-berekeningsprotocol voor geklede spins in een wereldwijd veld, Fysieke beoordeling B (2021). DOI: 10.1103/PhysRevB.104.235411

    Ingvild Hansen et al, Pulse engineering van een mondiaal veld voor robuuste en universele kwantumberekening, Fysieke beoordeling A (2021). DOI: 10.1103/PhysRevA.104.062415

    I. Hansen et al, Implementatie van een geavanceerd verbandprotocol voor globale qubitcontrole in silicium, Technische Natuurkunde Beoordelingen (2022). DOI: 10.1063/5.0096467

    Geleverd door de Universiteit van New South Wales

    citaat: Voor de langste tijd: Quantum computing-ingenieurs zetten nieuwe standaard in prestaties van siliciumchips (2022, 30 september) opgehaald op 30 september 2022 van https://phys.org/news/2022-09-longest-quantum-standard-silicon-chip .html

    Op dit document rust copyright. Afgezien van een eerlijke handel ten behoeve van eigen studie of onderzoek, mag niets worden gereproduceerd zonder schriftelijke toestemming. De inhoud wordt uitsluitend ter informatie verstrekt.