Phosphorus Atom Quantum Computing Machine

Tilbage i slutningen af ​​90'erne fremlagde en fysiker i Australien et design til en kvantecomputer. Bruce Kane foreslog, at fosforatomer indlejret i silicium ville være den ideelle måde at lagre og manipulere kvanteinformation på.

Hans idé var, at fosforatomets kerne kunne lagre en enkelt qubit i lange perioder i den måde, den spinder på. Et magnetfelt kunne nemt adressere denne qubit ved hjælp af velkendte teknikker fra nuklear magnetisk resonansspektroskopi. Det ville tillade enkelt-qubit-manipulationer, men ikke to-qubit-operationer, fordi nukleare spins ikke interagerer væsentligt med hinanden.

Til det foreslog han at overføre spin til en elektron, der kredser om fosforatomet, som ville interagere meget lettere med en elektron, der kredser om et nærliggende fosforatom. To-qubit-operationer ville så være mulige ved at manipulere de to elektroner med elektriske felter.

Den store fordel ved Kane kvantecomputeren, der begejstrede mange fysikere på det tidspunkt, var, at den var skalerbar. Da hvert atom kunne adresseres individuelt ved hjælp af standard elektroniske kredsløb, er det ligetil at øge størrelsen af ​​computeren ved at tilføje flere atomer og deres tilhørende elektroniske tilbehør og derefter forbinde den til en konventionel computer.

At bygge en Kane kvantecomputer er blevet næsten en besættelse i Australien, hvor omkring 100 forskere har arbejdet på problemet i over et årti.

De har lavet gennembrud, såsom at være i stand til at implantere fosforatomer på præcise steder i silicium ved hjælp af et scanningstunnelmikroskop. De har også været i stand til at adressere disse fosforatomers nukleare spins ved hjælp af kraftige magnetfelter.

Men den store uløste udfordring har været at finde en måde at adressere spin af en individuel elektron, der kredser om et fosforatom, og at aflæse dens værdi.

I dag siger Jarryd Pla ved University of New South Wales i Sydney og et par venner, at de har overvundet denne opgave første gang.

Disse fyre implanterede et enkelt fosforatom i en siliciumnanostruktur og placerede det i et kraftigt magnetfelt ved en temperatur tæt på det absolutte nulpunkt. De var derefter i stand til at vende tilstanden af ​​en elektron, der kredsede om fosforatomet, ved at zappe det med mikrobølger.

Det sidste trin, en væsentlig udfordring i sig selv, var at udlæse elektronens tilstand ved hjælp af en proces kendt som spin-til-ladning-konvertering.

Slutresultatet er en enhed, der kan lagre og manipulere en qubit og har potentialet til at udføre to-qubit logiske operationer med atomer i nærheden; med andre ord den grundlæggende byggesten i en skalerbar kvantecomputer.

Disse resultater indikerer, at elektronspin af et enkelt fosforatom i silicium er en fremragende platform til at bygge en skalerbar kvantecomputer på, siger holdet.

Det ser ud til at være et stort fremskridt for Australiens indsats for at lave en skalerbar kvantecomputer.

Der er dog opstået en hård konkurrence i de 15 år, der er gået siden Kane udgav sit originale design. Især fysikere har fundet en ligetil måde at gemme og behandle kvanteinformation i nitrogen ledige defekter i diamant.

Så er der D-Wave Systems, som allerede fremstiller en skalerbar kvantecomputer, der fungerer på en helt anden måde, som den berømt har solgt til virksomheder som Lockheed Martin og Google.

Den store fordel ved det australske design er dets kompatibilitet med den eksisterende siliciumbaserede chipfremstillingsindustri. I teorien vil det være ligetil at inkorporere denne teknologi i fremtidige chips.

Om det er det, der vil ske i praksis, er svært at sige. At være den første på markedet er en stor fordel i den højteknologiske verden, og det australske design er stadig år væk fra at komme ud af laboratorierne.

Der er masser af forhindringer i vente, der kan nedbryde enhver af disse nye teknologier. Dette løb er langt fra slut.

Ref: arxiv.org/abs/1305.4481 : En enkelt-atom elektronspin Qubit i silicium

skjule