Das Quantum “Sweet Spot” treffen: Beste Position für Atom-Qubits in Silizium, um atombasierte Quantenprozessoren zu vergrößern.

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Australische Forscher haben den “Sweet Spot” für die Positionierung von Qubits in Silizium lokalisiert, um atombasierte Quantenprozessoren zu vergrößern.

Forscher des Centre of Excellence for Quantum Computation and Communication Technology (CQC2T), die mit Silicon Quantum Computing (SQC) arbeiten, haben den “Sweet Spot” für die Positionierung von Qubits in Silizium lokalisiert, um atomar basierte Quantenprozessoren zu vergrössern.

Die Erzeugung von Quantenbits oder Qubits durch präzise Platzierung von Phosphoratomen in Silizium – die Methode, die von CQC2T-Direktorin Professor Michelle Simmons entwickelt wurde – ist ein weltweit führender Ansatz bei der Entwicklung eines Silizium-Quantencomputers.

In den Forschungsarbeiten des Teams, die heute in Nature Communications veröffentlicht wurden, hat sich die Präzisionsplatzierung als wesentlich für die Entwicklung robuster Wechselwirkungen – oder Kopplungen – zwischen Qubits erwiesen.

“Wir haben die optimale Position gefunden, um reproduzierbare, starke und schnelle Wechselwirkungen zwischen den Qubits zu erzeugen”, sagt Professor Sven Rogge, der die Forschung leitete.

“Wir brauchen diese robusten Wechselwirkungen, um einen Multi-Qubit-Prozessor und letztendlich einen nützlichen Quantencomputer zu entwickeln.

Zwei-Qubit-Gatter – der zentrale Baustein eines Quantencomputers – verwenden Wechselwirkungen zwischen Paaren von Qubits, um Quantenoperationen durchzuführen. Für Atom-Qubits in Silizium hat frühere Forschung vorgeschlagen, dass für bestimmte Positionen im Siliziumkristall die Wechselwirkungen zwischen den Qubits eine oszillierende Komponente enthalten, die die Gate-Operationen verlangsamen und schwer kontrollierbar machen könnte.

“Seit fast zwei Jahrzehnten wird vorausgesagt, dass die potentiell oszillatorische Natur der Wechselwirkungen eine Herausforderung für das Scale-up darstellt”, sagt Prof. Rogge.

“Jetzt haben wir durch neuartige Messungen der Qubit-Wechselwirkungen ein tiefes Verständnis der Natur dieser Oszillationen entwickelt und schlagen eine Strategie der Präzisionsplatzierung vor, um die Wechselwirkung zwischen den Qubits robust zu machen. Dies ist ein Ergebnis, von dem viele glaubten, es sei nicht möglich.

Den ‘Sweet Spot’ in Kristallsymmetrien finden

Die Forscher sagen, dass sie jetzt herausgefunden haben, dass genau die Stelle, an der man die Qubits platziert, für die Schaffung starker und konsistenter Interaktionen entscheidend ist. Diese entscheidende Erkenntnis hat erhebliche Auswirkungen auf das Design von Großprozessoren.

“Silizium ist ein anisotroper Kristall, was bedeutet, dass die Richtung, in der die Atome platziert werden, die Wechselwirkungen zwischen ihnen erheblich beeinflussen kann”, sagt Dr. Benoit Voisin, Hauptautor der Forschung.

“Wir wussten zwar bereits über diese Anisotropie Bescheid, aber niemand hatte im Detail untersucht, wie sie tatsächlich genutzt werden könnte, um die Stärke der oszillierenden Wechselwirkung abzuschwächen.

“Wir stellten fest, dass es einen speziellen Winkel oder Sweet Spot innerhalb einer bestimmten Ebene des Siliziumkristalls gibt, in dem die Wechselwirkung zwischen den Qubits am belastbarsten ist. Wichtig ist, dass dieser Sweet Spot mit den bestehenden, an der UNSW entwickelten Rastertunnelmikroskop-(STM-)Lithographietechniken erreicht werden kann”.

“Letztendlich entstehen sowohl das Problem als auch seine Lösung direkt durch Kristallsymmetrien, so dass dies eine nette Verdrehung ist”.

Mit einem STM ist das Team in der Lage, die Wellenfunktion der Atome in 2D-Bildern abzubilden und ihre exakte räumliche Lage im Siliziumkristall zu identifizieren – erstmals 2014 mit Forschungsergebnissen demonstriert, die in Nature Materials veröffentlicht und 2016 in einem Nature Nanotechnology Paper weiterentwickelt wurden.

Bei den jüngsten Forschungsarbeiten nutzte das Team dieselbe STM-Technik, um Einzelheiten der Wechselwirkungen zwischen den gekoppelten Atom-Qubits auf atomarer Ebene zu beobachten.

“Mit unserer Quantenzustandsabbildungstechnik konnten wir zum ersten Mal sowohl die Anisotropie in der Wellenfunktion als auch den Interferenzeffekt direkt in der Ebene beobachten – dies war der Ausgangspunkt, um zu verstehen, wie sich dieses Problem auswirkt”, sagt Dr. Voisin.

“Uns war klar, dass wir zunächst die Auswirkungen jedes dieser beiden Bestandteile getrennt herausarbeiten mussten, bevor wir das Gesamtbild betrachten konnten, um das Problem zu lösen – so konnten wir diesen Sweet Spot finden, der leicht mit der atomaren Platzierungspräzision kompatibel ist, die unsere STM-Lithografietechnik bietet.

Atom für Atom einen Silizium-Quantencomputer aufbauen

Die Wissenschaftler der UNSW am CQC2T sind weltweit führend im Wettlauf um den Bau atomarer Quantencomputer in Silizium. Die Forscher am CQC2T und der damit verbundenen Vermarktungsfirma SQC sind das einzige Team der Welt, das in der Lage ist, die genaue Position ihrer Qubits im Festkörper zu erkennen.

Im Jahr 2019 erreichte die Simmons-Gruppe einen wichtigen Meilenstein in ihrem Präzisions-Platzierungsansatz – das Team baute zunächst das schnellste Zwei-Qubit-Gate in Silizium, indem es zwei Atom-Qubits nahe beieinander platzierte und dann deren Spin-Zustände in Echtzeit kontrollierbar beobachtete und maß. Die Forschungsergebnisse wurden in Nature veröffentlicht.

Jetzt, mit den neuesten Fortschritten des Rogge-Teams, sind die Forscher von CQC2T und SQC in der Lage, diese Wechselwirkungen in größeren Systemen für skalierbare Prozessoren zu nutzen.

“Die Möglichkeit, Atome in unseren Siliziumchips zu beobachten und präzise zu platzieren, stellt weiterhin einen Wettbewerbsvorteil für die Herstellung von Quantencomputern in Silizium dar”, sagt Prof. Simmons.

Die kombinierte

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