Micromagnet engineering for enhanced addressability of donor-cluster arrays in silicon

Het bouwen van een computer die problemen kan oplossen die buiten het bereik liggen van elke machine van vandaag, vereist een fundamentele verschuiving in de manier waarop informatie wordt opgeslagen en verwerkt. In plaats van de binaire schakelaars van traditionele elektronica, vertrouwen deze toekomstige apparaten op kwantum bits, of qubits, die zich tegelijkertijd in meerdere toestanden kunnen bevinden. Een van de meest veelbelovende manieren om deze qubits te creëren, is door individuele fosforatomen te vangen in een blok silicium. Deze atomen fungeren als minuscule, stabiele magneten die kwantuminformatie gedurende een opmerkelijk lange tijd kunnen vasthouden. Echter, naarmate wetenschappers proberen deze technologie op te schalen van enkele atomen naar de miljoenen die nodig zijn voor een krachtige computer, stuiten ze op een aanzienlijke hindernis: hoe je met elk atoom afzonderlijk kunt communiceren zonder dat de signalen door elkaar lopen. In een overvolle kamer van identieke atomen is het bijna onmogelijk om er één van de andere te onderscheiden met behulp van alleen radiogolven, omdat ze allemaal op dezelfde frequentie reageren. Als de signalen overlappen, kan de computer niet de precieze berekeningen uitvoeren die vereist zijn voor complexe taken.

Een team van onderzoekers heeft een oplossing voorgesteld voor dit probleem door de precisie van atomaire engineering te combineren met de kracht van minuscule, op maat gemaakte magneten. Hun werk richt zich op een specifieke architectuur waarbij groepen fosforatomen in clusters zijn gerangschikt op een siliciumchip. Hoewel de natuurlijke verschillen tussen deze groepen atomen een manier bieden om ze te onderscheiden, kwamen de onderzoekers tot de conclusie dat deze natuurlijke variatie niet voldoende is om de honderden of duizenden qubits nodig voor een grootschalige processor aan te pakken. Om dit op te lossen, ontwierpen zij een systeem dat microscopische magneten direct boven de atoomclusters plaatst. Deze magneten creëren een zachte helling in het magnetische veld over de chip. Net zoals een heuvel ervoor zorgt dat water met verschillende snelheden stroomt afhankelijk van de positie, zorgt deze magnetische helling ervoor dat elk atoomcluster op een iets andere frequentie resoneert op basis van waar het zich bevindt. Dit maakt het mogelijk om een enkel besturingssignaal af te stemmen om specifieke groepen atomen aan te spreken zonder de buren te verstoren, wat elke qubit effectief een unieke stem geeft in een overvol koor.

De onderzoekers begonnen met het analyseren van de beperkingen van het uitsluitend vertrouwen op de natuurlijke eigenschappen van de atoomclusters. Ze berekenden dat, zonder externe hulp, de natuurlijke variaties in de manier waarop de atomen interageren, slechts de onafhankelijke controle van ongeveer dertig qubits in een enkel module zouden toestaan. Dit is veel te weinig voor een bruikbare kwantumcomputer. Om dit aantal te verhogen, maakten ze gebruik van computersimulaties om een nieuw type on-chip magneet te ontwerpen. Ze modelleerden verschillende vormen en maten van kobaltmagneten en testten hoe verschillende dimensies de magnetische veldgradiënt zouden beïnvloeden. De simulaties toonden aan dat een specifieke blokvorm, bestaande uit twee rechthoekige stukken gescheiden door een kleine opening, een magnetisch veld met een helling kon generen die sterk genoeg was om veel meer atomen te onderscheiden. Door de lengte, breedte en dikte van deze magneten te optimaliseren, bepaalden de onderzoekers dat een enkele module theoretisch meer dan honderdtwintig individuele spin-qubits kan aanspreken met slechts één antenne. Dit vertegenwoordigt een enorme sprong in capaciteit, waardoor een kleine experimentele opstelling wordt getransformeerd in een levensvatbare bouwsteen voor een grotere machine.

Om te bewijzen dat hun computermodellen overeenkwamen met de werkelijkheid, vervaardigde het team daadwerkelijke monsters van deze kobaltmagneten en mat de magnetische velden. Ze maakten de magneten met een proces dat vergelijkbaar is met dat waarmee computerchips worden gemaakt, waarbij een dunne laag kobalt op een siliciumoppervlak werd aangebracht en met precisie-instrumenten werd gevormd. Vervolgens gebruikten ze een gespecialiseerde microscoop uitgerust met een kleine magnetische sensor om het door de magneten gegenereerde veld in kaart te brengen. De metingen bevestigden dat de echte magneten zich zeer vergelijkbaar gedroegen als de magneten in hun simulaties, en een magnetische helling over de chip produceerden. Hoewel de experimentele magneten enkele kleine imperfecties vertoonden door de natuurlijke ruwheid van het metaaloppervlak en de manier waarop de magnetische domeinen zich vormden, kwamen de algehele resultaten nauw overeen met de voorspellingen. Deze validatie is cruciaal omdat het aantoont dat het theoretische ontwerp gebouwd kan worden en in een fysiek apparaat zal functioneren zoals bedoeld.

De betekenis van dit werk ligt in het vermogen om het "adresseerbaarheidsprobleem" op te lossen, wat lang een knelpunt is geweest voor het opschalen van siliciumgebaseerde kwantumcomputers. Door deze micromagneten te integreren met de atoomclusters, hebben de onderzoekers een pad vooruit voorgesteld waarbij een enkele besturingslijn een grote array van qubits kan beheren. Deze aanpak vermindert de complexiteit van de bedrading die nodig is om de computer te besturen drastisch, omdat het de noodzaak voor een aparte draad voor elk afzonderlijk atoom wegneemt. Het ontwerp houdt ook rekening met het feit dat de natuurlijke rangschikking van atomen niet perfect uniform is, door de magnetische helling te gebruiken om deze variaties te compenseren. Hoewel de huidige studie zich richt op het ontwerp en de initiële validatie van deze magneten, suggereren de resultaten dat deze methode de sleutel kan zijn tot het ontsluiten van het potentieel van silicium kwantumprocessors. Door de integratie van meer dan honderd qubits in een enkele module mogelijk te maken via simulatie en ontwerp, brengt deze technische prestatie de droom van een fouttolerante kwantumcomputer gebouwd van siliciumatomen een stap dichter bij de realiteit.