Fisikawan merancang pendekatan baru untuk memanipulasi 'qubit silikon'

The Map of Mathematics (Juni 2019).

Anonim

Selama penelitian mereka untuk sebuah makalah baru tentang komputasi kuantum, HongWen Jiang, seorang profesor fisika dari UCLA, dan Joshua Schoenfield, seorang mahasiswa pascasarjana di lab, mengalami masalah yang berulang: Mereka begitu bersemangat tentang kemajuan yang mereka buat ketika mereka login dari rumah ke desktop UCLA mereka — yang hanya memungkinkan satu pengguna dalam satu waktu — kedua ilmuwan itu saling beradu satu sama lain dari sambungan jarak jauh.

Alasan antusiasme mereka: Jiang dan timnya menciptakan cara untuk mengukur dan mengendalikan perbedaan energi negara lembah elektron di titik-titik kuantum silikon, yang merupakan komponen kunci dari penelitian komputasi kuantum. Teknik ini bisa membawa komputasi kuantum selangkah lebih dekat dengan kenyataan.

"Ini sangat menarik, " kata Jiang, seorang anggota Institut NanoSystems California. "Kami tidak ingin menunggu sampai hari berikutnya untuk mengetahui hasilnya."

Komputasi kuantum dapat memungkinkan informasi yang lebih kompleks untuk dikodekan pada chip komputer yang jauh lebih kecil, dan memegang janji untuk penyelesaian masalah yang lebih cepat, lebih aman dan komunikasi daripada komputer saat ini memungkinkan.

Dalam komputer standar, komponen fundamental adalah switch yang disebut bit, yang menggunakan 0 dan 1 untuk menunjukkan bahwa mereka mati atau hidup. Blok bangunan komputer kuantum, di sisi lain, adalah bit kuantum, atau qubit.

Terobosan para peneliti UCLA adalah mampu mengukur dan mengendalikan keadaan tertentu dari dot kuantum silikon, yang dikenal sebagai negara lembah, sebuah properti penting dari qubit. Penelitian ini dipublikasikan di Nature Communications.

"Sebuah qubit individu bisa eksis dalam campuran mirip gelombang kompleks dari negara 0 dan negara 1 pada saat yang sama, " kata Schoenfield, penulis pertama makalah. "Untuk menyelesaikan masalah, qubit harus saling mengganggu seperti riak di kolam. Jadi mengendalikan setiap aspek sifat gelombang mereka sangat penting."

Titik-titik kuantum silikon adalah daerah silikon kecil yang terbatas listrik, hanya puluhan nanometer, yang dapat menjebak elektron. Mereka sedang dipelajari oleh laboratorium Jiang - dan oleh para peneliti di seluruh dunia - untuk kemungkinan penggunaannya dalam komputasi kuantum karena mereka memungkinkan para ilmuwan memanipulasi spin dan muatan elektron.

Selain spin dan muatan elektron, salah satu sifat terpenting mereka adalah "negara lembah" mereka, yang menentukan di mana elektron akan menetap di lanskap energi non-flat dari struktur kristal silikon. Keadaan lembah mewakili lokasi dalam momentum elektron, yang bertentangan dengan lokasi fisik yang sebenarnya.

Para ilmuwan baru-baru ini menyadari bahwa mengendalikan negara lembah sangat penting untuk pengkodean dan menganalisis qubit berbasis silikon, karena bahkan ketidaksempurnaan terkecil dalam kristal silikon dapat mengubah energi lembah dengan cara yang tidak dapat diprediksi.

"Bayangkan berdiri di puncak gunung dan melihat ke bawah ke kiri dan kanan Anda, memperhatikan bahwa lembah-lembah di kedua sisi tampak sama tetapi mengetahui bahwa satu lembah hanya 1 sentimeter lebih dalam dari yang lain, " kata Blake Freeman, seorang UCLA mahasiswa pascasarjana dan rekan penulis studi. "Dalam fisika kuantum, perbedaan kecil itu sangat penting bagi kemampuan kita untuk mengendalikan spin dan status muatan elektron."

Pada suhu normal, elektron terpental, sehingga sulit bagi mereka untuk beristirahat di titik energi terendah di lembah. Jadi untuk mengukur perbedaan energi kecil antara dua negara lembah, para peneliti UCLA menempatkan titik-titik kuantum silikon di dalam ruang pendingin pada suhu mendekati nol mutlak, yang memungkinkan elektron untuk menetap. Dengan menembakkan pulsa listrik tegangan cepat melalui mereka, para ilmuwan mampu memindahkan elektron tunggal masuk dan keluar dari lembah. Perbedaan kecil dalam energi di antara lembah-lembah ditentukan dengan mengamati kecepatan perpindahan cepat elektron di antara negara-negara lembah.

Setelah memanipulasi elektron, para peneliti menjalankan sensor nanowire sangat dekat dengan elektron. Mengukur resistansi kawat memungkinkan mereka untuk mengukur jarak antara elektron dan kawat, yang pada gilirannya memungkinkan mereka untuk menentukan lembah mana yang diduduki elektron.

Teknik ini juga memungkinkan para ilmuwan, untuk pertama kalinya, untuk mengukur perbedaan energi yang sangat kecil antara dua lembah — yang tidak mungkin dilakukan dengan metode lain yang ada.

Di masa depan, para peneliti berharap untuk menggunakan pulsa tegangan yang lebih canggih dan desain perangkat untuk mencapai kontrol penuh atas beberapa qubit yang berinteraksi di lembah.

"Mimpinya adalah memiliki ratusan atau ribuan qubit yang semuanya bekerja sama untuk memecahkan masalah yang sulit, " kata Schoenfield. "Pekerjaan ini merupakan langkah penting untuk mewujudkan impian itu."

menu
menu