Do czego służy krzemowa magistrala kwantowa Si QuBus?

Wykorzystując kluczowe pojęcia mechaniki kwantowej, takie jak superpozycja i splątanie, komputery kwantowe obiecują rozwiązywać problemy, które są nazbyt trudne dla wszystkich klasycznych komputerów. Aby realistyczny komputer kwantowy działał w praktyce, informacja kwantowa musi być zapisana w kubitach – najmniejszych układach fizycznych posiadających czysto kwantowe własności. Tak więc taki komputer kwantowy będzie musiał składać się milionów kubitów i przez to będzie musiał mieć skalowalną architekturę. W spinie pojedynczego elektronu może zakodować jeden kubit. Nauczyliśmy się, jak uwięzić pojedynczy elektron w krzemie, jak precyzyjnie manipulować jego spinem, ustawić go w superpozycji i splątać jego stan ze stanem innego kubitu. Dotychczas te funkcje były demonstrowane w układach składających się z nie więcej niż dwóch kubitów.

Klasyczne układy komputerowe są wykonane z krzemu, i oparte są na tej samej technologii co pułapki elektronowe, a ich skalowalność pozwoliła na rozwinięcie dużego przemysłu. Mimo to, nie możemy tak łatwo skalować układu kwantowego, ponieważ kubity, a tym samym elektrony, muszą być bardzo blisko siebie, aby móc oddziaływać. Dla skalowalności architektury, potrzebujemy miejsca w kwantowym układzie scalonym na wymagane połączenia elektryczne, lub do osadzania klasycznego krzemowego układu elektronicznego, który wspomagałby sterowanie kubitami.

Naszym pomysłem jest nowy element funkcjonalny: kwantowa magistrala (z ang. Quantum Bus), która przenosi pojedynczy elektron, a tym samym informację kwantową na odległość około 10 mikronów. Dzięki takiej magistrali można umieściś grpy kubitów dalej od siebie, generując w ten sposób przestrzeń, której potrzebujemy do zaprojektowania skalowalnej kwantowej architektury komputerowej. QuBus jest kompatybilny z produkcją przemysłową i korzystamy z usług partnerów przemysłowych, takich jak LETI, STMicroelectronics i Intel w ramach konsorcjum. Naszym końcowym celem jest zademonstrowanie teleportacji kwantowej przez QuBus i zbadania możliwości rozgałęzienia magistrali, tak aby umożliwić budowanie dwuwymiarowych, odpornych na błędy, sieci oddziałujących kubitów w układzie scalonym.

Schemat kwantowej magistrali (tzw. Quantum Bus). Kropka kwantowa jest tworzona wewnątrz krzemowej studni kwantowej przez wielowarstwowe metalowe bramki powierzchniowe. Przyłożenie impulsów napięciowych do tych bramek powoduje, że kropka kwantowa, która zawiera jeden elektron, jest przemieszczana wzdłuż elektrostatycznie utworzonego jednowymiarowego kanału. Tranzystory oparte na pojedynczych elektronach mogą wykrywać elektron w kropce i jego stan spinowy na końcach takiego kwantowego pasa transmisyjnego.

Further reading on this topic:
Long-range quantum bus for electron spin qubits in silicon
Interfacing spin qubits in quantum dots and donors—hot, dense, and coherent