Kahden kubitin portti FINfet-transistorissa

Baselin yliopiston ja NCCR SPIN:n tutkijat ovat saavuttaneet ensimmäisen ohjattavan vuorovaikutuksen kahden aukko-spin -kubitin välillä tavanomaisessa piitransistorissa. Universaali kvanttilaskenta vaatii sekä yhden kubitin ohjauksen että kahden kubitin vuorovaikutuksia.

Saavutettu läpimurto avaa mahdollisuuden integroida miljoonia tällaisia kubitteja yhdelle sirulle nykyisiä valmistusprosesseja käyttäen.

Nämä tutkijat luottavat kubittityyppiin, joka käyttää elektronin tai aukon spiniä (sisäistä kulmamomenttia). Sekä aukoilla että elektroneilla on spin, joka voi ottaa yhden kahdesta tilasta: ylös tai alas. Elektronin spiniin verrattuna aukon spinin etuna on, että sitä voidaan ohjata kokonaan sähköisesti ilman, että sirulle tarvitaan lisäkomponentteja, kuten mikromagneetteja.

Jo vuonna 2022 Baselin fyysikot pystyivät osoittamaan, että olemassa olevan elektronisen rakenteen eli FinFET:in aukot voidaan saada loukkuun ja niitä voidaan käyttää kubitteina.

Nyt tohtori Andreas Kuhlmannin johtama tiimi on onnistunut ensimmäisenä saavuttamaan hallittavan vuorovaikutuksen kahden kubitin välillä tässä rakenteessa. Tutkijat kommentoivat tutkimusraportissaan: Otamme tärkeän askeleen kohti FinFET-pohjaista kvanttiprosessoria osoittamalla kahden Si FinFETin aukon vaihdon hallinnan.

Kvanttitietokone tarvitsee "kvanttiportit" laskelmien suorittamiseen. Nämä edustavat operaatioita, jotka käsittelevät kubitteja ja yhdistävät ne toisiinsa. Kuten tutkijat raportoivat Nature Physics -lehdessä, he kykenivät yhdistämään kaksi kubittia ja saamaan aikaan ohjatun spin-flip -käännöksen yhdestä spinistään riippuen toisen spinin tilasta – joka tunnetaan hallittuna spin-flippinä.

"Aukko-spinin avulla voimme luoda kahden kubitin portteja, jotka ovat sekä nopeita että tarkkoja. Tämä periaate mahdollistaa nyt myös suuremman määrän kubittipareja, Kuhlmann sanoo.

Kahden spin-kubitin kytkentä perustuu niiden vaihtovuorovaikutukseen, joka tapahtuu kahden erottumattoman hiukkasen välillä, jotka ovat vuorovaikutuksessa keskenään sähköstaattisesti. Yllättäen aukkojen vaihtoenergia ei ole vain sähköisesti ohjattavissa, vaan myös voimakkaasti anisotrooppinen. Tämä on seurausta spin-kiertoradan kytkennästä, mikä tarkoittaa, että aukon spin-tilaan vaikuttaa sen liike tilassa.

Tämän havainnon kuvaamiseksi mallissa Baselin yliopiston kokeelliset ja teoreettiset fyysikot ja NCCR SPIN yhdistivät voimat. "Anisotropia tekee kahden kubitin portit mahdollisiksi ilman tavanomaista nopeuden ja uskollisuuden välistä kompromissia", tohtori Kuhlmann sanoo yhteenvetona.

"Aukkojen spineihin perustuvat qubitit eivät ainoastaan hyödynnä piisirujen hyväksi todettua valmistusta, vaan ne ovat myös erittäin skaalautuvia ja ovat osoittautuneet nopeiksi ja kestäviksi kokeissa." Tutkimus korostaa, että tällä lähestymistavalla on vahva mahdollisuus kilpailussa kehittää laajamittainen kvanttitietokone.

Aiheesta aiemmin:

"Kuumat" spinkvanttibitit piitransistoreissa

Kubitteja laaksoissa, flip-floppina ja perovskiitissä