חוקרים מתקדמים במחשוב קוונטי על ידי פיתוח קיוביטים המבוססים על ספין של אלקטרונים וחורים, כאשר פריצות דרך אחרונות באוניברסיטת באזל מציגות אינטראקציות מבוקרות בין קיוביטים באמצעות ספינים של חורים. התקדמות אלו מצביעות על עתיד מבטיח עבור מחשבים קוונטיים יעילים להרחבה תוך שימוש בטכנולוגיית סיליקון קיימת.
ההתקדמות בטכנולוגיית qubit באוניברסיטת באזל מוכיחה הבטחה להרחבה מחשוב קוונטיבאמצעות ספינים של אלקטרונים וחורים כדי להשיג בקרת קיוביט ואינטראקציות מדויקות.
המרדף אחר מחשב קוונטי מעשי נמצא בעיצומו, כאשר חוקרים ברחבי העולם בוחנים מגוון רחב של טכנולוגיות קיוביט. למרות מאמצים נרחבים, עדיין אין הסכמה על איזה סוג של קיוביט ממקסם בצורה הטובה ביותר את הפוטנציאל של מדע המידע הקוונטי.
קוויביטים הם הבסיס של מחשב קוונטי. הם אחראים לעיבוד, העברה ואחסון נתונים. קיוביטים אפקטיביים חייבים לאחסן ולעבד מידע בצורה מהימנה. זה דורש אינטראקציות יציבות ומהירות בין מספר רב של קיוביטים שמערכות חיצוניות יכולות לשלוט בהם בצורה מדויקת.
המחשבים הקוונטים המתקדמים ביותר של היום מכילים רק כמה מאות קיוביטים. זה מגביל אותם לביצוע חישובים שמחשבים קונבנציונליים כבר מסוגלים לעשות ולעיתים קרובות יכולים לעשות ביעילות רבה יותר. כדי שהמחשוב הקוונטי יתקדם, החוקרים חייבים למצוא דרך להכיל מיליוני קיוביטים בשבב בודד.
אלקטרונים וחורים
כדי לפתור את בעיית הסידור והקישור של אלפי קיוביטים, חוקרים מאוניברסיטת באזל וה-NCCR SPIN מסתמכים על סוג של קיוביט שמשתמש בספין (תנע זוויתי פנימי) של אלקטרון או חור. חור הוא בעצם אלקטרון חסר במוליך למחצה. גם לחורים וגם לאלקטרונים יש ספין, שיכול לאמץ אחד משני מצבים: למעלה או למטה, בדומה ל-0 ו-1 בסיביות קלאסיות. בהשוואה לסחרור אלקטרוני, לסחרור חור יש את היתרון שניתן לשלוט בו באופן חשמלי לחלוטין מבלי להזדקק לרכיבים נוספים כמו מיקרומגנטים על השבב.
שני קיוביטים של ספין חורים באינטראקציה. כאשר חור (מגנטה/צהוב) עובר מאתר אחד לאחר הספין (החץ) שלו מסתובב בגלל מה שנקרא צימוד ספין-מסלול, מה שמוביל לאינטראקציות אנזוטרופיות המתוארות על ידי הבועות שמסביב. קרדיט: NCCR SPIN
בשנת 2022, הפיזיקאים של באזל הדגימו שניתן ללכוד את החור מסתובב במכשיר אלקטרוני קיים ולהשתמש בו כקיוביטים. "FinFETs" (טרנזיסטורי אפקט שדה סנפיר) אלה מובנים בסמארטפונים מודרניים ומיוצרים בתהליכים תעשייתיים נרחבים. כעת, צוות בראשות ד"ר אנדריאס קולמן הצליח לראשונה להשיג אינטראקציה ניתנת לשליטה בין שני קיוביטים בתוך ההגדרה הזו.
סיבוב סיבוב מבוקר מהיר ומדויק
מחשב קוונטי זקוק ל"שערים קוונטיים" כדי לבצע חישובים. אלה מייצגים פעולות המבצעות מניפולציות על הקיוביטים ומצמידים אותם זה לזה. כפי שמדווחים החוקרים בכתב העת פיזיקת הטבע, הם הצליחו לחבר שני קיוביטים ולגרום להיפוך מבוקר של אחד מהספינים שלהם, בהתאם למצב הסיבוב של השני – המכונה סיבוב מבוקר. "סיבובי חורים מאפשרים לנו ליצור שערים של שני קוויביט שהם גם מהירים וגם בעלי נאמנות גבוהה. עיקרון זה מאפשר כעת גם לחבר מספר גדול יותר של זוגות קיוביט", אומר קולמן.
הצימוד של שני קיוביטים ספין מבוסס על אינטראקציית ההחלפה שלהם, המתרחשת בין שני חלקיקים בלתי ניתנים להבחין המקיימים אינטראקציה זה עם זה בצורה אלקטרוסטטית. באופן מפתיע, אנרגיית ההחלפה של חורים היא לא רק ניתנת לשליטה חשמלית אלא גם אנזוטרופית. זוהי תוצאה של צימוד ספין-מסלול, כלומר מצב הספין של חור מושפע מתנועתו בחלל.
כדי לתאר תצפית זו במודל, שילבו פיזיקאים ניסויים ותיאורטיים מאוניברסיטת באזל ו-NCCR SPIN כוחות. "האניזוטרופיה מאפשרת שערי שני קיוביטים ללא הפשרה הרגילה בין מהירות לנאמנות", אומר קולמן. "קווביטים המבוססים על ספינים של חורים לא רק ממנפים את הייצור המנוסה של שבבי סיליקון, הם גם ניתנים להרחבה והוכחו כמהירות וחסונים בניסויים." המחקר מדגיש שלגישה זו יש סיכוי גדול במירוץ לפיתוח מחשב קוונטי בקנה מידה גדול.
