ซิลิคอนจะช่วยประหยัดคอมพิวเตอร์ควอนตัมหรือไม่

ซิลิคอนจะช่วยประหยัดคอมพิวเตอร์ควอนตัมหรือไม่

jumbo jili

ความท้าทายด้านวิศวกรรมที่ยิ่งใหญ่มักต้องใช้ความอดทนในระดับที่ยิ่งใหญ่ นั่นเป็นความจริงอย่างแน่นอนสำหรับการคำนวณควอนตัม เป็นเวลา 20 ปีแล้วที่เรารู้ดีว่าโดยหลักการแล้วคอมพิวเตอร์ควอนตัมสามารถมีพลังมหาศาล โดยใช้เวลาเพียงไม่กี่นาทีในการแก้ปัญหาที่คอมพิวเตอร์ธรรมดาจะใช้เวลานานกว่าอายุของจักรวาลในการแก้ปัญหา แต่ความพยายามในการสร้างเครื่องจักรดังกล่าวแทบจะไม่ได้ข้ามเส้นเริ่มต้น ที่จริงแล้ว เรายังคงพยายามค้นหาวัสดุที่ดีที่สุดสำหรับงาน

สล็อต

ทุกวันนี้ คู่แข่งชั้นนำต่างก็ค่อนข้างแปลกใหม่: มีวงจรตัวนำยิ่งยวดที่พิมพ์จากวัสดุต่างๆ เช่น อลูมิเนียม และถูกทำให้เย็นลงถึงหนึ่งร้อยองศาเหนือศูนย์สัมบูรณ์ ไอออนลอยตัวที่ทำขึ้นเพื่อลอยอยู่เหนือเศษและถูกสอบปากคำด้วยเลเซอร์และอะตอม เช่น ไนโตรเจนที่ติดอยู่ในเมทริกซ์เพชร
สิ่งเหล่านี้ถูกใช้เพื่อสร้างระบบการสาธิตที่เรียบง่ายซึ่งใช้ควอนตัมบิตน้อยกว่าโหลเพื่อแยกตัวประกอบตัวเลขจำนวนน้อยหรือจำลองพฤติกรรมบางอย่างของวัสดุโซลิดสเตต แต่ทุกวันนี้องค์ประกอบการประมวลผลควอนตัมที่แปลกใหม่เหล่านี้กำลังเผชิญกับการแข่งขันจากวัสดุทางโลกที่เด็ดขาด นั่นคือ ซิลิกอนเก่าที่ดี
ซิลิคอนมีการเริ่มต้นที่ค่อนข้างช้าในฐานะวัสดุคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่มีศักยภาพ แต่ผลลัพธ์ล่าสุดที่วุ่นวายได้เปลี่ยนให้กลายเป็นคู่แข่งชั้นนำ ตัวอย่างเช่น ปีที่แล้ว ทีมงานจากมหาวิทยาลัยไซมอน เฟรเซอร์ ในเมืองเบอร์นาบี รัฐบริติชโคลัมเบีย ประเทศแคนาดา พร้อมด้วยนักวิจัยในกลุ่มของเราที่มหาวิทยาลัยคอลเลจลอนดอน แสดงให้เห็นว่าเป็นไปได้ที่จะรักษาสถานะของควอนตัมบิตในซิลิคอนเป็นเวลา 39 นาที อุณหภูมิห้องและ 3 ชั่วโมงที่อุณหภูมิต่ำ สิ่งเหล่านี้เป็นนิรันดร์โดยมาตรฐานคอมพิวเตอร์ควอนตัม—อายุขัยของระบบอื่นๆ มักจะวัดเป็นมิลลิวินาทีหรือน้อยกว่า—และเป็นความเสถียรแบบที่เราจำเป็นต้องเริ่มสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัมเอนกประสงค์บนเครื่องชั่งที่มีขนาดใหญ่พอที่จะแซงหน้าความสามารถของเครื่องจักรทั่วไป .
ในฐานะแฟน ๆ ของซิลิคอน เรารู้สึกยินดีเป็นอย่างยิ่งกับข่าวนี้ เป็นเวลา 50 ปี ที่ซิลิคอนได้ทำให้เกิดความก้าวหน้าอย่างมั่นคงและรวดเร็วในการประมวลผลแบบเดิม ยุคของกำไรคงที่นั้นอาจจะใกล้เข้ามาแล้ว แต่เมื่อพูดถึงการสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัม โอกาสของวัสดุก็มีแต่จะสดใสขึ้นเท่านั้น ซิลิคอนอาจพิสูจน์ได้ว่ามีองก์ที่สองอย่างน้อยก็พราวเหมือนครั้งแรก
คอมพิวเตอร์ควอนตัมคืออะไร? พูดง่ายๆ ก็คือระบบที่สามารถจัดเก็บและประมวลผลข้อมูลตามกฎหมายของกลศาสตร์ควอนตัม ในทางปฏิบัติ นั่นหมายถึงองค์ประกอบการคำนวณขั้นพื้นฐาน ไม่ต้องพูดถึงวิธีการทำงานของมัน แตกต่างอย่างมากจากองค์ประกอบที่เราเชื่อมโยงกับรูปแบบการคำนวณแบบคลาสสิก
ตัวอย่างเช่น ในโลกควอนตัม วัตถุสามารถอยู่ในสถานะที่แตกต่างกันสองสถานะพร้อมกัน ซึ่งเป็นปรากฏการณ์ที่เรียกว่าการซ้อน ซึ่งหมายความว่าไม่เหมือนกับบิตทั่วไป ควอนตัมบิต (หรือ qubit) สามารถวางในสถานะซับซ้อนที่ทั้ง 0 และ 1 ในเวลาเดียวกัน เฉพาะเมื่อคุณวัดค่าของ qubit เท่านั้นที่จะถูกบังคับให้ใช้ค่าใดค่าหนึ่งจากสองค่านั้น
เมื่อคอมพิวเตอร์ควอนตัมดำเนินการทางตรรกะ คอมพิวเตอร์ควอนตัมจะดำเนินการดังกล่าวกับสถานะ qubit ที่เป็นไปได้ทั้งหมดพร้อมกัน วิธีการขนานขนานใหญ่นี้มักถูกอ้างถึงว่าเป็นเหตุผลที่คอมพิวเตอร์ควอนตัมจะเร็วมาก สิ่งที่จับได้คือบ่อยครั้งที่คุณสนใจเพียงส่วนย่อยของการคำนวณเหล่านั้น การวัดสถานะสุดท้ายของเครื่องควอนตัมจะทำให้คุณได้คำตอบเพียงคำตอบเดียวโดยสุ่ม ซึ่งอาจจะเป็นคำตอบที่ต้องการหรือไม่ก็ได้ ศิลปะในการเขียนอัลกอริธึมควอนตัมที่มีประโยชน์คือการหาคำตอบที่ไม่ต้องการให้ยกเลิก เพื่อให้คุณมีทางออกที่ชัดเจนสำหรับปัญหาของคุณ
บริษัทเดียวที่ขายของที่เรียกเก็บเงินเป็นเครื่อง “คอมพิวเตอร์ควอนตัม” คือระบบ D-Wave ที่เริ่มต้นขึ้น ซึ่งตั้งอยู่ในเมืองเบอร์นาบีเช่นกัน แนวทางของ D-Wave นั้นแตกต่างไปจากสิ่งที่นักวิจัยมักนึกถึงเมื่อพูดถึงการคำนวณด้วยควอนตัม และมีการถกเถียงกันอย่างแข็งขันเกี่ยวกับลักษณะทางกลควอนตัมและศักยภาพของเครื่องจักร (เพิ่มเติมในอีกสักครู่)
เหมืองหินสำหรับพวกเราหลายคนคือคอมพิวเตอร์ควอนตัมสากล คอมพิวเตอร์เครื่องหนึ่งสามารถเรียกใช้อัลกอริทึมควอนตัมหรืออัลกอริทึมแบบคลาสสิกได้ คอมพิวเตอร์ดังกล่าวจะไม่เร็วกว่าคอมพิวเตอร์แบบคลาสสิกทั่วกระดาน แต่มีแอปพลิเคชันบางอย่างที่สามารถพิสูจน์ได้ว่ามีประโยชน์อย่างยิ่ง สิ่งที่ดึงดูดสายตาหน่วยงานข่าวกรองอย่างรวดเร็วคือความสามารถในการแยกตัวประกอบจำนวนมากได้เร็วกว่าอัลกอริธึมคลาสสิกที่ดีที่สุด สิ่งนี้จะทำให้การทำงานสั้น ๆ ของรหัสเข้ารหัสที่เครื่องปัจจุบันไม่สามารถถอดรหัสได้อย่างมีประสิทธิภาพ อีกช่องทางหนึ่งที่มีแนวโน้มว่าจะจำลองพฤติกรรมของระบบควอนตัม-กลศาสตร์ เช่น โมเลกุล ที่ความเร็วสูงและมีความเที่ยงตรงสูง ความสามารถนี้อาจเป็นประโยชน์อย่างมากสำหรับการพัฒนายาและวัสดุใหม่
ในการสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัมสากลที่สามารถใช้อัลกอริธึมควอนตัมเหล่านี้และอัลกอริธึมอื่นๆ ได้ สิ่งแรกที่คุณต้องการคือองค์ประกอบการคำนวณพื้นฐาน: คิวบิต โดยหลักการแล้ว วัตถุเกือบทุกชนิดที่ประพฤติตามกฎของฟิสิกส์ควอนตัมและถูกวางในตำแหน่งทับซ้อนของสถานะสามารถนำมาใช้เพื่อสร้างควิบิตได้
เนื่องจากพฤติกรรมควอนตัมมักปรากฏชัดที่สุดในเครื่องชั่งขนาดเล็ก qubits ตามธรรมชาติส่วนใหญ่เป็นวัตถุขนาดเล็ก เช่น อิเล็กตรอน นิวเคลียสอะตอมเดี่ยว หรือโฟตอน คุณสมบัติใดๆ ที่สามารถรับค่าสองค่าได้ เช่น โพลาไรซ์ของแสง หรือการมีอยู่หรือไม่มีของอิเล็กตรอนในจุดใดจุดหนึ่ง สามารถใช้เพื่อเข้ารหัสข้อมูลควอนตัมได้ หนึ่งในตัวเลือกที่ใช้งานได้จริงมากขึ้นคือการหมุน สปินเป็นคุณสมบัติที่ค่อนข้างเฉียบคม: มันสะท้อนโมเมนตัมเชิงมุมของอนุภาค—แม้ว่าจะไม่มีการหมุนทางกายภาพเกิดขึ้น—และยังสะท้อนถึงทิศทางของสนามแม่เหล็กภายในของวัตถุด้วย ทั้งในอิเล็กตรอนและนิวเคลียสของอะตอม สปินสามารถถูกทำให้ชี้ขึ้นหรือลงเพื่อแทนค่า 1 หรือ 0 หรืออาจมีอยู่ในการทับซ้อนของทั้งสองสถานะ
นอกจากนี้ยังเป็นไปได้ที่จะสร้าง qubits ขนาดใหญ่จากโครงสร้างเทียม — ถ้าพวกมันสามารถเย็นลงจนถึงจุดที่พฤติกรรมควอนตัมเริ่มเข้ามา โครงสร้างที่นิยมอย่างหนึ่งคือ flux qubit ซึ่งทำมาจากห่วงที่มีกระแสไหลผ่านของลวดตัวนำยิ่งยวด qubits เหล่านี้ซึ่งสามารถวัดได้ในไมโครมิเตอร์คือความแปลกประหลาดของควอนตัมที่มีขนาดใหญ่: เมื่อสถานะของ flux qubit อยู่ใน superposition กระแสจะไหลในทั้งสองทิศทางรอบลูปในเวลาเดียวกัน
D-เวฟใช้ qubits ขึ้นอยู่กับลูปยิ่งยวดแม้ว่า qubits เหล่านี้จะมีสายร่วมกันเพื่อให้คอมพิวเตอร์ที่ดำเนินการที่แตกต่างจากคอมพิวเตอร์ควอนตัมสากล บริษัท มีพนักงานวิธีการที่เรียกว่าอะควอนตัมคอมพิวเตอร์ซึ่งใน qubits มีการตั้งค่าในสถานะเริ่มต้นที่แล้ว“ผ่อนคลาย” ในการกำหนดค่าที่เหมาะสมที่สุด แม้ว่าวิธีการนี้อาจใช้เพื่อแก้ปัญหาการปรับให้เหมาะสมบางอย่างได้อย่างรวดเร็ว แต่คอมพิวเตอร์ของ D-Wave ไม่สามารถใช้เพื่อปรับใช้อัลกอริธึมตามอำเภอใจได้ และชุมชนคอมพิวเตอร์ควอนตัมยังคงถกเถียงกันอย่างแข็งขันถึงขอบเขตที่ฮาร์ดแวร์ของ D-Wave ทำงานในรูปแบบกลไกควอนตัมและไม่ว่าจะสามารถให้ข้อได้เปรียบเหนือระบบที่ใช้อัลกอริธึมคลาสสิกที่ดีที่สุดได้หรือไม่
แม้ว่าคอมพิวเตอร์ควอนตัมสากลขนาดใหญ่จะยังห่างไกล แต่เราก็เข้าใจดีอยู่แล้วว่าเราจะสร้างมันขึ้นมาได้อย่างไร มีหลายวิธี แบบตรงไปตรงมาที่สุดใช้แบบจำลองการคำนวณที่เรียกว่าแบบจำลองเกท ใช้ชุด “ประตูสากล” เพื่อเชื่อมต่อกลุ่ม qubits เพื่อให้สามารถโต้ตอบได้ตามความต้องการ เกตเหล่านี้ต่างจากชิปทั่วไปที่มีวงจรลอจิกเดินสาย เกทเหล่านี้สามารถใช้เพื่อกำหนดค่าและกำหนดค่าความสัมพันธ์ระหว่าง qubits ใหม่เพื่อสร้างการดำเนินการลอจิกที่แตกต่างกัน บางอย่าง เช่น XOR และ NOT อาจคุ้นเคย แต่หลายๆ อย่างไม่คุ้นเคย เนื่องจากพวกมันดำเนินการในพื้นที่ที่ซับซ้อนซึ่งสถานะควอนตัมในการซ้อนทับสามารถรับช่วงค่าใดค่าหนึ่งที่ต่อเนื่องกัน แต่โฟลว์พื้นฐานของการคำนวณนั้นเหมือนกันมาก: ลอจิกเกตควบคุมวิธีที่ข้อมูลไหล และสถานะของ qubits จะเปลี่ยนไปเมื่อโปรแกรมทำงาน ผลลัพธ์จะถูกอ่านออกโดยสังเกตจากระบบ

สล็อตออนไลน์

อีกแนวคิดหนึ่งที่แปลกใหม่กว่าซึ่งเรียกว่าแบบจำลองสถานะคลัสเตอร์ทำงานแตกต่างกัน ที่นี่การคำนวณทำได้โดยการสังเกตเพียงอย่างเดียว คุณเริ่มต้นด้วยการ “พัวพัน” ทุก qubit กับเพื่อนบ้านก่อน การพัวพันเป็นปรากฏการณ์ทางกลควอนตัมซึ่งมีอนุภาคตั้งแต่สองอนุภาคขึ้นไป เช่น อิเล็กตรอน แบ่งสถานะควอนตัม และการวัดอนุภาคหนึ่งอนุภาคจะส่งผลต่อพฤติกรรมของคู่ที่พัวพัน ในแนวทางของคลัสเตอร์-สเตท โปรแกรมจะทำงานจริงโดยการวัด qubits ในลำดับเฉพาะ ตามทิศทางเฉพาะ การวัดบางอย่างสร้างเครือข่ายของ qubits เพื่อกำหนดการคำนวณ ในขณะที่การวัดอื่นๆ จะขับเคลื่อนข้อมูลไปข้างหน้าผ่านเครือข่ายนี้ ผลลัพธ์สุทธิของการวัดทั้งหมดเหล่านี้นำมารวมกันเป็นคำตอบสุดท้าย
สำหรับวิธีการทำงานอย่างใดอย่างหนึ่ง คุณต้องหาวิธีเพื่อให้แน่ใจว่า qubits มีความเสถียรนานเพียงพอสำหรับคุณในการคำนวณ ด้วยตัวเอง นั่นเป็นคำสั่งซื้อที่ค่อนข้างสูง สถานะทางกลควอนตัมเป็นสิ่งที่ละเอียดอ่อน และสามารถถูกรบกวนได้ง่ายจากความผันผวนเล็กน้อยของอุณหภูมิหรือสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่หลงทาง สิ่งนี้สามารถนำไปสู่ข้อผิดพลาดที่สำคัญหรือแม้กระทั่งหยุดการคำนวณในช่วงกลางน้ำ
เหนือสิ่งอื่นใด หากคุณต้องการคำนวณที่มีประโยชน์ คุณจะต้องหาวิธีในการขยายระบบของคุณเป็น qubits หลายร้อยหรือหลายพัน การปรับขนาดดังกล่าวจะไม่สามารถทำได้ในช่วงกลางทศวรรษ 1990 เมื่อ qubits แรกถูกสร้างขึ้นจากอะตอมและไอออนที่ติดอยู่ การสร้างแม้แต่ qubit เดียวเป็นการดำเนินการที่ละเอียดอ่อนซึ่งต้องใช้วิธีการที่ซับซ้อนและอุปกรณ์มากมายที่สูญญากาศสูง แต่สิ่งนี้เปลี่ยนไปในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ตอนนี้มีโปรแกรมคำนวณควอนตัมหลายตัวที่พิสูจน์แล้วว่าขยายขนาดได้ง่ายขึ้น [ดู “คู่แข่งควอนตัม”]
ในบรรดาเหล่านี้ qubits ที่ใช้ซิลิกอนเป็นรายการโปรดของเรา สามารถผลิตได้โดยใช้เทคนิคเซมิคอนดักเตอร์ทั่วไปและสัญญาว่าจะมีความเสถียรและกะทัดรัดเป็นพิเศษ
ปรากฎว่ามีสองวิธีในการทำ qubits จากซิลิกอน เราจะเริ่มด้วยอันที่นำหน้าก่อน: โดยใช้อะตอมที่ถูกวางไว้โดยเจตนาภายในซิลิกอน
หากวิธีการนี้ฟังดูคุ้นเคย นั่นเป็นเพราะอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ได้ใช้สิ่งเจือปนในการปรับคุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์ของซิลิกอนเพื่อผลิตอุปกรณ์ต่างๆ เช่น ไดโอดและทรานซิสเตอร์อยู่แล้ว ในกระบวนการที่เรียกว่ายาสลบ อะตอมจากคอลัมน์ข้างเคียงของตารางธาตุจะถูกเติมลงในซิลิกอน ไม่ว่าจะให้อิเล็กตรอนกับวัสดุที่อยู่รอบข้าง (ทำหน้าที่เป็น “ผู้ให้”) หรือดึงอิเล็กตรอนออกมา (ทำหน้าที่เป็น “ตัวรับ” ).
สารเจือปนดังกล่าวจะเปลี่ยนคุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์โดยรวมของซิลิกอน แต่ที่อุณหภูมิสูงกว่า –220 °C เท่านั้น (50 องศาเหนือศูนย์สัมบูรณ์) ต่ำกว่าเกณฑ์นั้น อิเล็กตรอนจากอะตอมของผู้บริจาคไม่มีพลังงานความร้อนเพียงพอที่จะต้านทานการดึงของอะตอมที่มีประจุบวกที่พวกมันมาจากและกลับมา
ปรากฏการณ์นี้เรียกว่า carrier freeze-out อธิบายถึงจุดที่อุปกรณ์ซิลิกอนทั่วไปส่วนใหญ่หยุดทำงาน แต่ในปี 1998 นักฟิสิกส์ บรูซ เคน ซึ่งปัจจุบันอยู่ที่มหาวิทยาลัยแมริแลนด์ คอลเลจพาร์คชี้ให้เห็นว่าการหยุดนิ่งอาจมีประโยชน์มากสำหรับการคำนวณควอนตัม มันสร้างชุดของอะตอมที่เป็นกลางทางไฟฟ้าและค่อนข้างแยกได้ ซึ่งทั้งหมดถูกตรึงอยู่กับที่ ซึ่งเป็นชุดของระบบควอนตัมที่เสถียรตามธรรมชาติสำหรับการจัดเก็บข้อมูล

jumboslot

ในการตั้งค่านี้ ข้อมูลสามารถจัดเก็บได้สองวิธี: สามารถเข้ารหัสในสถานะการหมุนของนิวเคลียสของอะตอมผู้บริจาคหรือของอิเล็กตรอนที่อยู่นอกสุดได้ สถานะของการหมุนของอนุภาคมีความไวต่อการเปลี่ยนแปลงของสนามแม่เหล็กตลอดจนปฏิกิริยากับอนุภาคที่อยู่ใกล้เคียง ปัญหาโดยเฉพาะอย่างยิ่งคือการหมุนของนิวเคลียสของอะตอมอื่นในบริเวณใกล้เคียง ซึ่งสามารถพลิกกลับแบบสุ่ม สลับสถานะของคิวบิตของอิเล็กตรอนหมุนในวัสดุ
แต่ปรากฎว่าสปินเหล่านี้ไม่เป็นปัญหาสำหรับซิลิกอนมากเกินไป มีไอโซโทปเพียงตัวเดียว — ซิลิกอน-29— ที่มีนิวเคลียสที่มีการหมุนไม่เป็นศูนย์ และประกอบด้วยอะตอมเพียง 5 เปอร์เซ็นต์ในซิลิคอนที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติ ผลที่ตามมาก็คือ การพลิกกลับของการหมุนด้วยนิวเคลียร์จึงเป็นเรื่องที่หาได้ยาก และการหมุนของอิเล็กตรอนของผู้บริจาคมีอายุการใช้งานที่ยาวนานพอสมควรตามมาตรฐานควอนตัม ตัวอย่างเช่น สถานะการหมุนของอิเล็กตรอนชั้นนอกของผู้บริจาคฟอสฟอรัสสามารถคงอยู่ในตำแหน่งซ้อนทับได้นานถึง 0.3 มิลลิวินาทีที่ 8 เคลวิน ก่อนที่มันจะถูกรบกวน
นั่นคือขั้นต่ำสุดสำหรับสิ่งที่เราต้องการสำหรับคอมพิวเตอร์ควอนตัม เพื่อชดเชยความเสียหายของสถานะควอนตัม—และเพื่อให้ข้อมูลควอนตัมไม่เสียหายอย่างไม่มีกำหนด— qubits ที่มีอายุการใช้งานยาวนานเพิ่มเติมที่ทุ่มเทให้กับการระบุและแก้ไขข้อผิดพลาดจะต้องถูกรวมไว้สำหรับทุก qubit ที่ทุ่มเทให้กับการคำนวณ วิธีที่ง่ายที่สุดวิธีหนึ่งในการทำเช่นนี้คือการเพิ่มความซ้ำซ้อน เพื่อให้ qubit การคำนวณแต่ละรายการประกอบด้วยกลุ่มของ qubits เมื่อเวลาผ่านไป ข้อมูลบางส่วนจะเสียหาย แต่กลุ่มสามารถรีเซ็ตเป็นสถานะใดก็ตามที่คนส่วนใหญ่อยู่เป็นระยะได้โดยไม่รบกวนสถานะนี้ หากมีความซ้ำซ้อนเพียงพอและอัตราข้อผิดพลาดต่ำกว่าเกณฑ์สำหรับ “ความทนทานต่อข้อผิดพลาด” ข้อมูลสามารถคงไว้ได้นานพอที่จะทำการคำนวณได้
หากคิวบิตมีระยะเวลาโดยเฉลี่ย 0.3 ms และสามารถจัดการได้ภายใน 10 นาโนวินาทีโดยใช้รังสีไมโครเวฟ หมายความว่าโดยเฉลี่ยแล้ว การทำงานของเกต 30,000 รายการสามารถทำได้ก่อนที่สถานะคิวบิตจะสลายไป เกณฑ์ความทนทานต่อข้อผิดพลาดแตกต่างกันไป แต่นั่นไม่ใช่จำนวนที่สูงมาก หมายความว่าคอมพิวเตอร์ควอนตัมจะใช้เวลาเกือบตลอดเวลาในการแก้ไขสถานะของ qubits และโคลนของพวกมัน ทำให้มีเวลาเพียงเล็กน้อยในการคำนวณที่มีความหมาย เพื่อลดค่าใช้จ่ายที่เกี่ยวข้องกับการแก้ไขข้อผิดพลาดและสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่มีขนาดกะทัดรัดและมีประสิทธิภาพมากขึ้น เราต้องหาวิธีที่จะขยายอายุการใช้งาน qubit
วิธีหนึ่งที่ทำได้คือใช้ซิลิกอนที่ไม่มีซิลิกอน-29 เลย ซิลิคอนดังกล่าวหาได้ยาก แต่เมื่อประมาณ 10 ปีที่แล้ว โครงการ Avogadro ซึ่งเป็นความร่วมมือระดับนานาชาติที่ทำงานเกี่ยวกับการกำหนดกิโลกรัมใหม่ ได้เกิดขึ้นเพื่อผลิตบางอย่างเพื่อสร้างลูกบอลซิลิคอน-28 อันบริสุทธิ์สำหรับการวัด ด้วยการใช้เครื่องหมุนเหวี่ยงหลายชุดในรัสเซีย ทีมงานจึงได้ซิลิคอนที่มีซิลิกอน-28 ประมาณ 99.995 เปอร์เซ็นต์ตามจำนวน ทำให้เป็นหนึ่งในวัสดุที่บริสุทธิ์ที่สุดเท่าที่เคยผลิตมา กลุ่มหนึ่งที่มหาวิทยาลัยพรินซ์ตันได้วัสดุที่เหลือบางส่วน และในปี 2555 หลังจากการทดลองอย่างถี่ถ้วนแล้วรายงานอายุการหมุนอิเล็กตรอนของผู้บริจาคมากกว่าหนึ่งวินาทีที่ 1.8 เคลวิน ซึ่งเป็นสถิติโลกสำหรับการหมุนอิเล็กตรอนในวัสดุใดๆ สิ่งนี้แสดงให้เห็นศักยภาพที่แท้จริงของซิลิกอนและเป็นที่ยอมรับว่าเป็นคู่แข่งที่จริงจัง
กลุ่มของเราได้แสดงให้เห็นแล้วว่าการหมุนของอะตอมของผู้บริจาคบางชนิด—โดยเฉพาะบิสมัท—สามารถปรับได้ด้วยสนามแม่เหล็กภายนอกไปยัง “จุดหวาน” บางอย่างที่ไม่ไวต่อความผันผวนของสนามแม่เหล็กโดยเนื้อแท้ ด้วยบิสมัท เราพบว่าสถานะการหมุนของอิเล็กตรอนสามารถอยู่ได้นานถึง 3 วินาทีในซิลิกอน-28 เสริมสมรรถนะที่อุณหภูมิสูงขึ้นไปอีก สิ่งสำคัญที่สุดคือ เราพบว่าอายุการใช้งานของซิลิกอนธรรมชาติสูงถึง 0.1 วินาที ซึ่งหมายความว่าเราควรจะสามารถบรรลุอายุขัย qubit ที่ค่อนข้างยาวได้โดยไม่ต้องค้นหาวัสดุบริสุทธิ์ที่มีไอโซโทปในปริมาณพิเศษ

slot

อายุขัยประเภทนี้เหมาะสำหรับอิเล็กตรอน แต่จะซีดเมื่อเปรียบเทียบกับนิวเคลียสของอะตอม การวัดล่าสุดที่นำโดยทีมงานของมหาวิทยาลัย Simon Fraser ได้แสดงให้เห็นว่าการหมุนของอะตอมของผู้บริจาคฟอสฟอรัสนิวเคลียร์สามารถอยู่ได้นานถึง 3 นาทีในซิลิคอนที่อุณหภูมิต่ำ เนื่องจากสปินของนิวเคลียร์มีปฏิสัมพันธ์กับสิ่งแวดล้อมเป็นหลักผ่านอิเล็กตรอน อายุการใช้งานนี้จะเพิ่มขึ้นเป็น 3 ชั่วโมงหากอิเล็กตรอนชั้นนอกสุดของฟอสฟอรัสถูกกำจัดออกไป

This entry was posted in Slot and tagged , , , , , , , , . Bookmark the permalink.