SciTechDaily

ניקולס

לייזרי Femtosecond חוד החנית את מהפכת המחשוב הקוונטי

חוקרים במעבדה הלאומית לורנס ברקלי פיתחו שיטה המשתמשת בלייזר פמט שנייה וסימום מימן כדי ליצור ולשלוט בקיוביטים בסיליקון, מה שעלול לחולל מהפכה במחשוב הקוונטי על ידי מתן אפשרות למיקום וקישוריות מדויקות של קיוביט לרשתות קוונטיות ניתנות להרחבה ולאינטרנט הקוונטי. קרדיט: twoday.co.il.com

הטכניקה החדשה של מעבדת ברקלי משתמשת בלייזרי פמט שנייה ומימן כדי ליצור במדויק קווביטים בסיליקון, ולקדם סיכויים להרחבה מחשוב קוונטי ורשתות.

  • חוקרי מעבדת ברקלי דיווחו על התקדמות גדולה שיכולה לקרב אותנו למחשב קוונטי שניתן להרחבה.
  • באמצעות לייזר פמט-שניות במהלך ניסויים שחקרו את תפקיד המימן ביצירת קיוביט, החוקרים פיתחו שיטה המתכנתת את היווצרותם של קיוביטים אופטיים של פס טלקום בסיליקון לייצור בקנה מידה גדול.
  • הטכניקה יכולה לאפשר מחשבים קוונטיים ניתנים להרחבה של העתיד על ידי בנייה על תשתית מחשוב נוכחית מבוססת סיליקון.
קאושליה ג'וריה

Kaushalya Jhuria במעבדה בודק את האלקטרוניקה המהווה חלק ממערך הניסוי המשמש לייצור קיוביטים בסיליקון. קרדיט: Thor Swift/Berkeley Lab

הפוטנציאל והאתגרים של מחשוב קוונטי

למחשבים קוונטיים יש פוטנציאל לפתור בעיות מורכבות בבריאות האדם, גילוי תרופות ו בינה מלאכותית מהיר פי מיליוני מכמה ממחשבי העל המהירים בעולם. רשת של מחשבים קוונטיים יכולה לקדם את התגליות הללו אפילו מהר יותר. אבל לפני שזה יכול לקרות, תעשיית המחשבים תצטרך דרך אמינה לחבר מיליארדי קיוביטים – או ביטים קוונטיים – בדיוק אטומי.

חיבור קיוביטים, לעומת זאת, היה מאתגר עבור קהילת המחקר. שיטות מסוימות יוצרות קיוביטים על ידי הנחת פרוסת סיליקון שלמה בתנור חישול מהיר בטמפרטורות גבוהות מאוד. בשיטות אלה, קיוביטים נוצרים באופן אקראי מפגמים (הידועים גם כמרכזי צבע או פולטי קוונטים) בסריג הגביש של הסיליקון. ומבלי לדעת היכן בדיוק נמצאים קיוביטים בחומר, יהיה קשה לממש מחשב קוונטי של קיוביטים מחוברים.

פריצות דרך ב-Qubit Creation and Control

אבל עכשיו, יתכן שבקרוב יתאפשר להשיג qubits להתחבר. צוות מחקר בראשות המעבדה הלאומית של לורנס ברקלי (מעבדת ברקלי) אומר שהם הראשונים להשתמש בלייזר פמט שנייה כדי ליצור ו"השמדת" קיוביטים לפי דרישה, ובדיוק, על ידי סימום סיליקון במימן.

ההתקדמות עשויה לאפשר מחשבים קוונטיים המשתמשים בקיוביטים אופטיים הניתנים לתכנות או "ספין-פוטון qubits" לחיבור צמתים קוונטיים ברשת מרוחקת. זה גם יכול לקדם אינטרנט קוונטי שהוא לא רק מאובטח יותר אלא יכול גם להעביר יותר נתונים מטכנולוגיות המידע הנוכחיות של סיבים אופטיים.

"זה יכול ליצור מסלול חדש פוטנציאלי עבור התעשייה להתגבר על אתגרים בייצור קיוביט ובקרת איכות."

תומס שנקל, מדען בכיר, חטיבת טכנולוגיית האצה ופיזיקה יישומית

חזון לארכיטקטורה קוונטית ניתנת להרחבה

"כדי ליצור ארכיטקטורה או רשת קוונטית ניתנת להרחבה, אנו זקוקים לקיוביטים שיכולים ליצור באופן מהימן על פי דרישה, במיקומים הרצויים, כדי שנדע היכן הקיוביט ממוקם בחומר. וזו הסיבה שהגישה שלנו היא קריטית", אמרה קאושאליה ג'וריה, פוסט-דוקטורט בחטיבת ה-Accelerator Technology & Applied Physics (ATAP) של מעבדת ברקלי. היא הכותבת הראשונה במחקר חדש שמתאר את הטכניקה בכתב העת תקשורת טבע. "מאחר שנדע היכן יושב קיוביט ספציפי, נוכל לקבוע כיצד לחבר את הקיוביט הזה עם רכיבים אחרים במערכת וליצור רשת קוונטית."

"זה יכול ליצור מסלול חדש פוטנציאלי עבור התעשייה להתגבר על אתגרים בייצור קיוביט ובקרת איכות", אמר החוקר הראשי תומס שנקל, ראש תוכנית Fusion Science & Ion Beam Technology בחטיבת ATAP של מעבדת ברקלי. הקבוצה שלו תארח את קבוצת הסטודנטים הראשונה מאוניברסיטת הוואי ביוני כחלק מפרויקט RENEW במימון DOE Fusion Energy Sciences על פיתוח כוח אדם שבו התלמידים יהיו שקועים במדע ובטכנולוגיה של מרכז צבע/קיוביט.

יצירת קוביטים בסיליקון עם בקרה ניתנת לתכנות

השיטה החדשה משתמשת בסביבת גז ליצירת פגמים הניתנים לתכנות הנקראים "מרכזי צבע" בסיליקון. מרכזי צבע אלו הם מועמדים לקיוביטים מיוחדים של טלקומוניקציה או "קיוביטים של פוטון ספין". השיטה משתמשת גם בלייזר פמט-שניות מהיר במיוחד כדי לחשל סיליקון עם דיוק מדויק היכן שהקווביטים האלה צריכים להיווצר במדויק. לייזר פמט-שניות מספק פולסים קצרים מאוד של אנרגיה בתוך רבע שניה למטרה ממוקדת בגודל של כתם אבק.

קיוביטים של פוטון ספין פולטים פוטונים שיכולים לשאת מידע המקודד בספין אלקטרונים למרחקים ארוכים – מאפיינים אידיאליים לתמיכה ברשת קוונטית מאובטחת. קוויביטים הם הרכיבים הקטנים ביותר של מערכת מידע קוונטית המקודדת נתונים בשלושה מצבים שונים: 1, 0 או סופרפוזיציה שהיא הכל בין 1 ל-0.

בעזרת בובאקאר קאנטה, מדען פקולטה בחטיבת מדעי החומרים של מעבדת ברקלי ופרופסור להנדסת חשמל ומדעי המחשב (EECS) באוניברסיטת ברקלי, הצוות השתמש בגלאי כמעט אינפרא אדום כדי לאפיין את מרכזי הצבע שנוצרו על ידי חיטוט האופטי שלהם (פוטו-luminescence) ) אותות.

מה שהם חשפו הפתיע אותם: פולט קוונטי בשם מרכז Ci. בשל המבנה הפשוט שלו, היציבות בטמפרטורת החדר ותכונות הספין המבטיחות שלו, מרכז ה-Ci הוא מועמד מעניין לקיוביוט פוטון ספין שפולט פוטונים ברצועת הטלקום. "ידענו מהספרות שניתן ליצור Ci בסיליקון, אבל לא ציפינו להפוך את הקיוביטים החדשים של ספין פוטון למועמד עם הגישה שלנו", אמר ג'וריה.

מרכזי צבע (Qubits) באיכות גבוהה בסיליקון

תיאור אומנותי של שיטה חדשה ליצירת מרכזי צבע (קווביטים) באיכות גבוהה בסיליקון במקומות ספציפיים באמצעות פעימות לייזר מהירים במיוחד (פמטשניה, או רבעית השנייה). ההוספה בפינה השמאלית העליונה מציגה אות אופטי שנצפה בניסוי (פוטו-לומינסנציה) מהקווביטים, כאשר המבנים שלהם מוצגים בתחתית. קרדיט: Kaushalya Jhuria/Berkeley Lab

כיוונים פוטנציאליים ועתידיים

החוקרים למדו שעיבוד סיליקון בעוצמת לייזר נמוכה של פמט-שנייה בנוכחות מימן עזר ליצור את מרכזי הצבע Ci. ניסויים נוספים הראו כי הגדלת עוצמת הלייזר יכולה להגביר את הניידות של מימן, אשר מפסיד מרכזי צבע לא רצויים מבלי לפגוע בסריג הסיליקון, הסביר שנקל.

ניתוח תיאורטי שבוצע על ידי ליאנג טאן, מדען צוות ב-Berkeley Lab's Molecular Foundry, מראה שהבהירות של מרכז הצבע Ci מוגברת במספר סדרי גודל בנוכחות מימן, מה שמאשר את תצפיותיהם מניסויי מעבדה.

"פולסי הלייזר של הפמט-שנייה יכולים להעיף אטומי מימן החוצה או להחזיר אותם, ומאפשרים היווצרות ניתנת לתכנות של קיוביטים אופטיים רצויים במיקומים מדויקים", אמר ג'וריה.

הצוות מתכנן להשתמש בטכניקה כדי לשלב קיוביטים אופטיים בהתקנים קוונטיים כגון חללים רפלקטיביים ומובילי גל, ולגלות מועמדים חדשים לקיוביטים פוטון ספין עם מאפיינים מותאמים ליישומים נבחרים.

"כעת, כשאנחנו יכולים ליצור מרכזי צבע בצורה מהימנה, אנחנו רוצים לגרום לקיוביטים שונים לדבר זה עם זה – שהיא התגלמות של הסתבכות קוונטית – ולראות אילו מהם מניבים את הביצועים הטובים ביותר. זו רק ההתחלה", אמר ג'וריה.

"היכולת ליצור קיוביטים במיקומים הניתנים לתכנות בחומר כמו סיליקון הזמין בקנה מידה הוא צעד מרגש לקראת רשתות קוונטיות ומחשוב מעשיים", אמר קמרון גדס, מנהל חטיבת ATAP.

ניקולס