Industrisamarbejde fører til vigtig milepæl i skabelsen af en kvantecomputer

Det franske firma Leti laver kæmpestore flader med mange transistorer som forskerne på Niels Bohr Institutet (NBI), Københavns Universitet, har lavet målinger på. Disse industrielt producerede enheder viser sig at være egnede som platform for qubits, der kan bringe processen videre til ”anden dimension” (Se illustration) – et væsentligt skridt nærmere en fungerende kvantecomputer. Resultatet er nu publiceret i Nature Communications.

Kvantedots i todimensionel gruppering er afgørende for udviklingen af qubits

En af nøgleegenskaberne ved disse enheder er den todimensionelle distribution af kvantedots (se illustration). ”Det vi har vist er, at vi er lykkedes med kontrol af enkelt elektroner i hver eneste af disse kvantedots. Det er meget vigtigt for udviklingen af en qubit, fordi en af de mulige måder at lave qubits er ved at anvende enkelt-elektron spin.

Opnåelsen af målet med at kontrollere enkelte elektroner og at kunne gøre det i en todimensionel distribution af kvantedots var meget vigtigt for os”, siger Fabio Ansaloni, tidligere Ph.d. studerende, nu postdoc ved Center for Quantum Devices (QDev), NBI.

Elektronspin har vist sig at være fordelagtige, også i anvendelsen af qubits. Deres ”stille” egenskaber gør, at spins interagerer meget svagt med den elektroniske støj, der omgiver dem, hvilket er afgørende for at opnå højtydende qubits.

Udvidelsen af kvantecomputeres processorer til ”anden dimension” har også vist sig at være essentielt for en mere effektiv anvendelse af kvante-fejlkorrektion rutiner. Kvante-fejlkorrektion vil sætte fremtidige kvantecomputere i stand til at blive modstandsdygtige overfor fejl, som opstår i de individuelle qubits under beregningerne.

Hvorfor det er vigtigt at opskalere til industriel produktion

Adjunkt ved QDev, Anasua Chatterjee tilføjer: ”vores oprindelige ide var at lave en gruppering af spin qubits, at nå helt ned til 1 elektron per kvantedot, blive i stand til at kontrollere elektronerne og flytte rundt på dem. Her var det storslået, at Leti var i stand til at levere de enheder, vi har anvendt, hvilket i sidste ende gjorde det muligt for os at opnå dette resultat.

En stor del af æren går også til det pan-europæiske projekt-konsortium og de generøse bevillinger fra EU, som hjalp os til at bevæge os fra enkelt-kvantedots med én elektron til at have to elektroner og nu bevæge os ud i todimensionelle grupperinger.

Todimensionelle grupperinger er et meget vigtigt mål at nå, for her begynder det at ligne noget, vi virkelig har brug for, for at kunne bygge en kvantecomputer. Med andre ord, Leti har været involveret i en række projekter gennem årene, som alle har bidraget til dette resultat”.

Æren for at nå så langt som det nu er sket, tilfalder mange projekter over hele Europa

Udviklingen er sket gradvis. I 2015 lykkedes det for forskere i Grenoble at lave den første spin qubit, men den var ikke baseret på elektroner. Dengang var ydelsen af enhederne ikke optimal, men teknologien er blevet forbedret, så enhederne nu kan have todimensionelle grupperinger med enkelt-elektroner.

Fremskridtet er sket på tre fronter, forklarer forskerne: ” Først var det nødvendigt at kunne producere enhederne på industriel skala.

Opskaleringen af en moderne, industriel proces er afgørende, da vi kommer til at lave større grupperinger, fx til små kvantesimulatorer. Dernæst, når man laver en kvantecomputer, har man brug for en gruppering i to dimensioner og ligeledes en måde at forbinde den omgivende verden til hver qubit.

Har man 4 – 5 forbindelser til hver qubit, ender man let med et helt urealistisk antal ledninger, der skal gå ud fra en lav-temperatur installation. Men nu er det lykkedes os at vise, at man kan nøjes med én forbindelse eller ”gate” per elektron, og man kan aflæse og kontrollere den med den samme gate.

Til sidst, ved at anvende disse værktøjer, blev det muligt for os at flytte og bytte rundt på elektroner i grupperingen på en kontrolleret måde – hvilket alene var noget af en udfordring”.

Todimensionelle grupperinger kan holde fejl under kontrol

Fejl, der opstår i enhederne og som skal holdes under kontrol, er et kapitel for sig selv. Nutidens computere laver masser af fejl, men der holdes styr på dem gennem en ”repetitionskode”. I en konventionel computer kan informationen tage form af enten 0 eller 1.

For at være sikker på, at en beregning er korrekt, repeterer computeren beregningen og hvis én transistor laver en fejl, rettes den gennem simpelt flertal. Hvis flertallet af beregningerne i de andre transistorer siger 1 og ikke 0, så vælges 1 som resultat.

Dette er ikke muligt i en kvantecomputer, idet man ikke kan lave en nøjagtig kopi af en qubit, så kvante-fejlkorrektion må ske på en anden måde: De allerbedste fysiske qubits har endnu ikke en lav fejlrate, men hvis tilstrækkeligt mange af dem kombineres i den todimensionelle gruppering, kan de ”holde hinanden i skak”, så at sige. Dette er endnu en fordel ved de todimensionelle grupperinger.

Hvad er næste skridt fra denne milepæl?

Resultatet ved Niels Bohr Institutet viser, at det nu er muligt at kontrollere enkelte elektroner, og det er muligt at foretage eksperimentet uden et magnetisk felt.

Det næste trin bliver at se efter spins – spin signaturer – under indflydelse af et magnetisk felt. Det bliver nødvendigt at implementere enkelte og dobbelt qubit forbindelser mellem de enkelte qubits i grupperingen.

Teorien viser nemlig, at en håndfuld enkelt- og dobbelt qubit forbindelser - man kalder det et komplet sæt af kvante-gates - er nok til at virkeliggøre universelle kvanteberegninger.

Link til den videnskabelige artikel: https://www.nature.com/articles/s41467-020-20280-3