[논문] 새로운 기술은 미래의 양자 컴퓨터를 구축하는 데 도움이 될 수 있습니다

양자 컴퓨터는 세계에서 가장 빠른 슈퍼컴퓨터보다 수백만 배 더 빠르게 인류 건강, 약물 발견, 인공 지능의 복잡한 문제를 해결할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다. 양자 컴퓨터 네트워크는 이러한 발견을 더욱 빠르게 발전시킬 수 있습니다. 그러나 그런 일이 일어나기 전에 컴퓨터 업계에는 수십억 개의 큐비트(또는 양자 비트)를 원자 정밀도로 함께 묶을 수 있는 안정적인 방법이 필요합니다.

그러나 큐비트를 연결하는 것은 연구 커뮤니티에서 어려운 일이었습니다. 일부 방법은 전체 실리콘 웨이퍼를 매우 높은 온도의 급속 어닐링 오븐에 배치하여 큐비트를 형성합니다.

이러한 방법을 사용하면 실리콘 결정 격자의 결함(색상 중심 또는 양자 방사체라고도 함)에서 큐비트가 무작위로 형성됩니다. 그리고 물질에서 큐비트가 어디에 있는지 정확히 알지 못하면 큐비트가 연결된 양자 컴퓨터를 구현하기가 어렵습니다.

그러나 이제 큐비트를 연결하는 것이 곧 가능할 수도 있습니다. 로렌스 버클리 국립 연구소(Berkeley Lab)가 이끄는 연구팀은 이 방법을 최초로 사용했다고 밝혔습니다. 펨토초 레이저 실리콘을 수소로 도핑하여 필요에 따라 정밀하게 큐비트를 생성하고 “절멸”합니다.

이러한 발전으로 프로그래밍 가능한 광학 큐비트 또는 “스핀 광자 큐비트”를 사용하여 원격 네트워크를 통해 양자 노드를 연결하는 양자 컴퓨터가 가능해질 수 있습니다. 또한 현재의 광섬유 정보 기술보다 더 안전할 뿐만 아니라 더 많은 데이터를 전송할 수 있는 양자 인터넷을 발전시킬 수도 있습니다.

Kaushalya Jhuria는 “확장 가능한 양자 아키텍처 또는 네트워크를 만들려면 원하는 위치에서 주문형으로 안정적으로 형성할 수 있는 큐비트가 필요합니다. 이를 통해 큐비트가 물질의 어디에 있는지 알 수 있습니다. 이것이 바로 우리의 접근 방식이 중요한 이유입니다.”라고 말했습니다. , 버클리 연구소 가속기 기술 및 응용 물리학(ATAP) 부문의 박사후 연구원입니다. 그녀는 저널에 기술된 기술을 설명하는 새로운 연구의 첫 번째 저자입니다. 네이처커뮤니케이션즈.

“특정 큐비트가 어디에 있는지 알면 이 큐비트를 시스템의 다른 구성 요소와 연결하고 양자 네트워크를 만드는 방법을 결정할 수 있기 때문입니다.”

“이것은 업계가 큐비트 제조 및 품질 관리“라고 Berkeley Lab ATAP 부서의 융합 과학 및 이온 빔 기술 프로그램 책임자인 수석 연구원인 Thomas Schenkel이 말했습니다. 그의 그룹은 6월에 하와이 대학의 첫 번째 학생 코호트를 주최할 예정이며, 여기서 학생들은 컬러 센터/큐비트에 몰입하게 됩니다. 과학 기술.

프로그래밍 가능한 제어를 통해 실리콘에 큐비트 형성

새로운 방법은 가스 환경을 사용하여 실리콘에 “컬러 센터”라고 불리는 프로그래밍 가능한 결함을 형성합니다. 이러한 색상 센터는 특수 통신 큐비트 또는 “스핀 광자 큐비트”의 후보입니다. 이 방법은 또한 초고속 펨토초 레이저를 사용하여 큐비트가 정확하게 형성되어야 하는 위치에 정확한 정밀도로 실리콘을 어닐링합니다. 펨토초 레이저는 1000조분의 1초 내에 매우 짧은 에너지 펄스를 먼지 한 점 크기의 초점이 맞춰진 대상에 전달합니다.

스핀 광자 큐비트는 전자 스핀으로 인코딩된 정보를 장거리에 걸쳐 전달할 수 있는 광자를 방출합니다. 이는 안전한 양자 네트워크를 지원하는 데 이상적인 특성입니다. 큐비트는 1, 0 또는 1과 0 사이의 모든 것을 의미하는 중첩의 세 가지 상태로 데이터를 인코딩하는 양자 정보 시스템의 가장 작은 구성 요소입니다.

Berkeley Lab의 재료 과학 부서의 과학자이자 UC Berkeley의 전기 공학 및 컴퓨터 과학(EECS) 교수인 Boubacar Kanté의 도움으로 팀은 근적외선 검출기를 사용하여 광학(광발광)을 조사하여 결과 색상 중심을 특성화했습니다. ) 신호.

그들이 발견한 것은 그들을 놀라게 했습니다: C라고 불리는 양자 방출체_나 센터. 단순한 구조, 실온에서의 안정성 및 유망한 스핀 특성으로 인해 C_나 센터는 통신 대역에서 광자를 방출하는 흥미로운 스핀 광자 큐비트 후보입니다. “우리는 문헌을 통해 C가_나 실리콘으로 형성될 수 있지만 우리의 접근 방식으로 이 새로운 스핀 광자 큐비트 후보를 실제로 만들 수 있을 것이라고는 예상하지 못했습니다.”라고 Jhuria는 말했습니다.

연구진은 수소가 있는 상태에서 낮은 펨토초 레이저 강도로 실리콘을 처리하면 C를 생성하는 데 도움이 된다는 사실을 알게 되었습니다._나 컬러 센터. 추가 실험에서는 레이저 강도를 높이면 수소의 이동도가 증가하여 실리콘 격자를 손상시키지 않고 바람직하지 않은 색상 중심을 부동화시킬 수 있다는 사실이 밝혀졌습니다. Schenkel은 설명했습니다.

ㅏ 이론적 분석 버클리 연구소 분자 주조소의 직원 과학자인 Liang Tan이 수행한 결과 C의 밝기는 다음과 같습니다._나 수소가 존재하면 색상 중심이 몇 배로 향상되어 실험실 실험에서 관찰한 내용이 확인되었습니다.

“펨토초 레이저 펄스는 수소 원자를 쫓아내거나 다시 가져올 수 있어 정확한 위치에 원하는 광학 큐비트를 프로그래밍 가능하게 형성할 수 있습니다.”라고 Jhuria는 말했습니다.

팀은 이 기술을 사용하여 반사 공동 및 도파관과 같은 양자 장치에 광학 큐비트를 통합하고 선택된 응용 분야에 최적화된 특성을 가진 새로운 스핀 광자 큐비트 후보를 발굴할 계획입니다.

“이제 우리는 안정적으로 만들 수 있습니다 컬러 센터, 우리는 양자 얽힘의 구현인 서로 대화하기 위해 서로 다른 큐비트를 얻고 어느 것이 가장 잘 수행되는지 확인하려고 합니다. 이것은 단지 시작일 뿐입니다.”라고 Jhuria는 말했습니다.

“형성 능력 큐비트 ATAP 사업부 이사인 Cameron Geddes는 “실리콘과 같은 재료를 대규모로 프로그래밍 가능한 위치에 배치하는 것은 실용적인 양자 네트워킹 및 컴퓨팅을 향한 흥미로운 단계입니다.”라고 말했습니다.