Kuantum hesaplamada büyük atılım: UCL atomun kontrolünü ele geçirdi

çalışma, Gelişmiş Malzemeler kategorisinde yayınlandıBu fikir, 25 yıl önce ilk kez önerildiğinden bu yana, tek atomları bir diziye güvenilir bir şekilde yerleştirmeye yönelik ilk başarılı girişimi anlatıyor. Yaklaşımın %100'e yakın doğruluğu ve ölçeklenebilirliği, dünyanın en karmaşık sorunlarının üstesinden gelebilecek bir kuantum bilgisayarı oluşturma olasılığını artırıyor; ancak bu hedefe ulaşmak için hala önemli mühendislik zorluklarının aşılması gerekiyor.

Teorik olarak kuantum hesaplama, “klasik” transistör tabanlı ikili bilgisayarların asla çözemeyeceği karmaşık sorunları çözme potansiyeline sahiptir. Kübitler olarak bilinen evrensel bir kuantum bilgisayardaki kapıların oluşturulabilmesinin bir yolu, kuantum özelliklerini sabit tutmak için silikonun içine yerleştirilen ve son derece düşük sıcaklıklara soğutulan tek atomlardan oluşur. Daha sonra bilgileri işlemek için elektrik ve manyetik sinyallerle manipüle edilebilirler; tıpkı klasik bir bilgisayardaki diyot transistörün sıfır veya bir çıkışı verecek şekilde manipüle edilmesi gibi.

Bu, bilgisayarın, evrenin nasıl çalıştığını belirleyen derin fizik yasaları olan kuantum mekaniğinin gücünden yararlanmasına olanak tanır. Bu, süperpozisyon veya kübitlerin aynı anda birçok farklı düzenlemede olma yeteneği ve kübitlerin ayrılmaz bir şekilde birbirine bağlanma yeteneği olan kuantum dolaşma gibi olguları içerir.

Bu özellikler, karmaşık sorunların yeni yollarla temsil edilebileceği anlamına gelir. İstisnai derecede çok sayıda olası sonucu olan bir problem için, bir kuantum bilgisayar, olasılıkları normal bir bilgisayarın yaptığı gibi tek tek düşünmek yerine teker teker değerlendirebilir; günümüzün en iyi süper bilgisayarının bunu işlemesi milyonlarca yıl alır. .

Kuantum bilgisayarı oluşturmaya yönelik çeşitli yaklaşımlar yolda, ancak hiçbiri henüz gerekli seviyeye ve düşük hata oranlarına ulaşamadı.

Bir kuantum bilgisayarı oluşturmanın bir yolu, bireysel “safsızlık” atomlarını bir silikon kristaline hassas bir şekilde yerleştirmek ve bunların kuantum özelliklerinin kubitler oluşturacak şekilde manipüle edilmesine olanak sağlamaktır. Bu yaklaşımın bir faydası da düşük kübit hata oranlarına sahip olması ve ölçeklenebilir silikon mikroelektronik teknolojileri tarafından desteklenmesidir. Standart yaklaşım, safsızlık atomu olarak fosforu kullanır, ancak tekli fosfor atomları yalnızca %70'lik bir başarı oranıyla yerleştirilebildiğinden, bu sistem, bir kuantum bilgisayarı oluşturmak için gereken sıfıra yakın başarısızlık oranından hâlâ biraz uzaktadır.

Bu çalışmada Kaliforniya Üniversitesi'ndeki araştırmacılar, kuantum bilgisayarı oluşturmak için gereken düşük başarısızlık oranına ulaşmak için arseniğin fosfordan daha iyi bir malzeme olabileceğini öne sürdüler.

Arsenik atomlarını bir silikon kristaline hassas bir şekilde yerleştirmek için, vinil plak çalardaki iğneye benzer şekilde, tekli atomların yerini tespit edip manipüle edebilen bir mikroskop kullandılar. Daha sonra kübit olmaya hazır 2×2'lik tek arsenik atomları dizisi oluşturmak için bu işlemi tekrarladılar.

UCL Elektronik Okulu'ndan çalışmanın ilk yazarı Dr. Taylor Stock, “Geliştirilmekte olan en gelişmiş kuantum hesaplama sistemleri, kübitlerdeki hata oranlarının nasıl azaltılacağı ve kübit sayısının nasıl artırılacağına ilişkin ikili sorunlarla hâlâ boğuşuyor” dedi. ve Elektrik Mühendisliği. .

“Güvenilir, atomik açıdan hassas üretim, silikondan ölçeklenebilir bir kuantum bilgisayarı oluşturmak için kullanılabilir. Hakim görüş, arsenik kullanan tek atomlu üretimin fosforla aynı sorunlara sahip olacağı yönündeydi. Ancak hesaplamalarımıza dayanarak, tek arsenik atomlarının olduğunu fark ettik. Fosfordan daha güvenilir bir şekilde yerleştirilebilir.” “Ve bunu başarılı bir şekilde yapmayı başardık. Atomları %97 doğrulukla yerleştirebileceğimize dair tahminimizde ihtiyatlıydık ancak bunun yakın gelecekte %100'e çıkarılabileceğinden eminiz.” gelecek.”

Şu anda çalışmada geliştirilen yöntem, her atomun tek tek manuel olarak yerleştirilmesini gerektiriyor ve bu da birkaç dakika sürüyor. Teorik olarak bu süreç sonsuza kadar tekrarlanabilir, ancak pratikte evrensel bir kuantum bilgisayarı oluşturmak için süreci otomatikleştirmek ve sanayileştirmek gerekli olacaktır; bu, milyonlarca, on milyonlarca ve hatta milyarlarca kübitlik diziler oluşturmak anlamına gelir.

Yazarlar, klasik hesaplama için yarı iletkenlerin yapımında hem arsenik hem de silikonun yaygın olarak kullanılması nedeniyle, şu anda yaklaşık 550 milyar dolar değerinde olan silikon yarı iletken endüstrisinin bu alanın gelişimine katkıda bulunabilmesi gerektiğini söylüyor. Bu çalışmada geliştirilen yaklaşımın mevcut yarı iletken işlemeyle oldukça uyumlu olması ve mühendislik zorlukları ele alındığında entegre edilebilmesi bekleniyor.

UCL Elektronik ve Elektrik Mühendisliği Okulu'ndan çalışmanın kıdemli yazarı Profesör Neil Corson şunları söyledi: “Atomları silikonun içine neredeyse mükemmel bir hassasiyetle ve ölçeklendirebileceğimiz bir şekilde yerleştirebilmek, kuantum hesaplamada önemli bir kilometre taşıdır. Bu, İlk kez hassasiyet ve ölçek elde etmenin bir yolunu gösterdik.” aranıyor.

“Artık bunu daha hızlı ve kolay bir şekilde yapabilmek için büyük bir mühendislik sorunumuz var – ancak ilk kez evrensel bir kuantum bilgisayarın yapılabileceğinden emin olduğumu hissettim.”