Silikon Kuantum Hesaplama (SQC) ile çalışan Kuantum Hesaplama ve İletişim Teknolojisi İletişim Merkezi’nden (CQC2T) araştırmacılar; atom tabanlı kuantum işlemcileri ölçeklendirmek ve kubitleri silikonda konumlandırmak için ‘tatlı noktayı’ (sweet spot) tespit ettiler.
CQC2T Direktörü Profesör Michelle Simmons tarafından öncülük edilen yöntem olan silisyumun içine fosfor atomlarını hassas bir şekilde yerleştirerek kuantum bitleri veya kubitler oluşturmak, bir silikon kuantum bilgisayarın geliştirilmesinde dünya lideri bir yaklaşımdır.
Ekibin Nature Communications’da yayınlanan araştırmasında, hassas yerleştirmenin kubitler arasında güçlü etkileşimler veya eşleşme geliştirmek için gerekli olduğu kanıtlandı.
Araştırmacı Profesör Sven Rogge: “Kubitler arasında tekrarlanabilir, güçlü ve hızlı etkileşimler yaratmak için en uygun konumu bulduk. Çok kubitli bir işlemci ve yararlı bir kuantum bilgisayar tasarlamak için bu güçlü etkileşimlere ihtiyacımız var.”
Bir kuantum bilgisayarın merkezi yapı taşı olan iki kubit kapı; kuantum işlemlerini gerçekleştirmek için kubit çiftleri arasındaki etkileşimleri kullanır. Silisyumdaki atom kubitleri için önceki araştırmalar; silikon kristalindeki belirli pozisyonlar için kubitler arasındaki etkileşimlerin, geçit işlemlerini yavaşlatabilecek ve kontrol edilmesini zorlaştırabilecek salınımlı bir bileşen içerdiğini gösteriyor.
Prof. Rogge: “Neredeyse yirmi yıldır, etkileşimlerin potansiyel salınımlı doğasının ölçek büyütme için bir meydan okuma olacağı tahmin ediliyor. Şimdi, kubit etkileşimlerinin yeni ölçümleri sayesinde; bu salınımların doğasına ilişkin derin bir anlayış geliştirdik ve kubitler arasındaki etkileşimi sağlam kılmak için bir hassas yerleştirme stratejisi önerdik. Bu, birçok kişinin mümkün olmadığına inandığı bir sonuç… “
Kristal Simetrilerinde ‘Tatlı Nokta’yı Bulmak
Araştırmacılar; kubitleri tam olarak nereye yerleştirdiğinin güçlü ve tutarlı etkileşimler oluşturmak için gerekli olduğunu ortaya çıkardıklarını söylüyorlar. Bu görüş, büyük ölçekli işlemcilerin tasarımı için önemli etkilere sahiptir.
Araştırmacı Dr. Benoit Voisin: “Silikon anizotropik bir kristaldir, bu da atomların yerleştirildiği yönün aralarındaki etkileşimleri sağlayacağı anlamına gelir. Bu anizotropiyi zaten biliyor olsak da, hiç kimse bunun salınan etkileşim gücünü azaltmak için nasıl kullanılabileceğini ayrıntılı olarak keşfetmemişti. Silikon kristalin belirli bir düzleminde, kubitler arasındaki etkileşimin en esnek olduğu yerde özel bir açı veya ’tatlı nokta’ olduğunu bulduk; daha da önemlisi, geliştirilen mevcut taramalı tünelleme mikroskobu (STM) litografi teknikleri kullanılarak bu tatlı noktaya ulaşılabilir. Sonunda, hem problem hem de çözümü doğrudan kristal simetrilerinden kaynaklanıyor…”
Ekip, bir STM kullanarak atomların dalga fonksiyonunu 2 boyutlu görüntülerde haritalandırabilir ve silikon kristalindeki tam uzaysal konumlarını belirleyebilir. (İlk olarak 2014 yılında Nature Materials’da yayınlanan ve 2016 Nature Nanoteknoloji makalesinde yayınlanan araştırma ile gösterilmiştir.)
Son araştırmada ekip; bağlı atom kubitleri arasındaki etkileşimlerin atomik ölçekli ayrıntılarını gözlemlemek için aynı STM tekniğini kullandı.
Dr. Voisin:”Kuantum durum görüntüleme tekniğimizi kullanarak, hem dalga fonksiyonundaki anizotropiyi hem de doğrudan düzlemdeki parazit etkisini ilk kez gözlemleyebildik. Bu, sorunun nasıl ortaya çıktığını anlamak için başlangıç noktasıydı. Sorunu çözmek için tam resme bakmadan önce bu iki bileşenin her birinin etkisini ayrı ayrı çözmemiz gerektiğini anladık. Böylece atomik yerleştirme hassasiyetiyle kolayca uyumlu olan bu ’tatlı noktayı’ bu şekilde bulabilirdik. STM litografi tekniğimiz tarafından sunulmaktadır. “
Atomdan bir silikon kuantum bilgisayar atomu oluşturmak…
CQC2T’deki UNSW bilim insanları; silikonda atom tabanlı kuantum bilgisayarlar oluşturma yarışında dünyaya liderlik ediyorlar. CQC2T’deki araştırmacılar ve ilgili şirket SQC; kubitlerinin katı haldeki kesin konumunu görme yeteneğine sahip dünyadaki tek ekiptir.
2019’da, Simmons ekibi; hassas yerleştirme yaklaşımında önemli bir dönüm noktasına ulaştı. Ekip; önce iki atom kubiti birbirine yakın yerleştirerek silikonda en hızlı iki kubitlik kapıyı inşa etti ve ardından dönüş durumlarını kontrol edilebilir bir şekilde gerçek zamanlı olarak gözlemleyip ölçümlerini yaptı.
Rogge ekibinin son gelişmeleriyle, CQC2T ve SQC araştırmacıları; bu etkileşimleri ölçeklenebilir işlemciler için daha büyük ölçekli sistemlerde kullanmak üzere konumlandırıldı.
Şirketlerin ve ekibin amacı; en yüksek kalitede, en kararlı kuantum işlemciyi oluşturmaktır
