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© Hitachi Europe Ltd. 2014. All rights reserved.
UNIZAR 25/10/2016
Computación Cuántica
con transistores CMOS de silicio
M. Fernando Gonzalez-Zalba
Hitachi Cambridge Laboratory, Cambridge, UK
Cavendish Laboratory, University of Cambridge, UK
© Hitachi Europe Ltd. 2014. All rights reserved.
UNIZAR 25/10/2016
Computación Cuántica
con transistores CMOS de silicio
M. Fernando Gonzalez-Zalba
Hitachi Cambridge Laboratory, Cambridge, UK
Cavendish Laboratory, University of Cambridge, UK
© Hitachi, Ltd. 2014. All rights reserved.
1.Introduction a la investigación en Hitachi Cambridge 2.¿Por qué computación cuántica? 3.Hardware cuántico a. Qubits Superconductores b. Qubits Semiconductores
Contenidos
4
4.Computacion cuántica con transistores de silicio a. Puntos cuánticos dobles compactos b. Detección de carga in-situ c. Lectura dispersiva de spin d. Integración a gran escala 5. Conclusiones
¿Hitachi investiga? !
Hitachi… Solo proporcionan servicios y productos, ¿verdad?
De hecho, también hacemos investigación
5
Headquarters (HQ) Hitachi Cambridge Laboratory (HCL)
-Fundamental Device Physics
Cambridge
- Management
Munich
- Rail Systems - Automotive - Energy - Energy
Automotive & Industry Laboratory (A&IL)
- Mobile & Automotive Communication
[ 7 ]
[7]
[16]
[ Headcount ]
Experience Design Lab (XDL) - Industrial Design and Service Solutions
Sophia Antipolis
London
Hitachi Research en Europe
Transportation, Energy & Environment Research Laboratory (TEEL)
- Healthcare
Hitachi Big Data Lab (EBDL)
Manchester
Personal Total de I+D ~ 6000 6
Hitachi Cambridge Lab y el Cavendish
HCL
Investigación para desarrollar electrónica del futuro
Cavendish
La colaboración empezó en 1989
7
Áreas de investigación
Espintrónica
J. Wunderlich Science 330 1901
Microscopia electrónica
A. Blackburn Ultramicroscopy 136 127
Procesado de la información cuántica Nanofotónica
A. Ramsay arXiv:1409.6223
D. A. Williams, New J. Phys 16 013016
PCD aislados
M. F. Gonzalez-Zalba, Nat Comm 6 6084
CMOS qubits
¿Es por el fin de la ley de Moore?
• La falta de un International Technology Roadmap for Semiconductors consensuado desde 2013 nos proporciona un clara evidencia del fin de la ley de Moore
Pared de
potencia
La muerte del escalado
de Dennard
Era Multinucleo 10
Rendimiento
• Necesitamos nuevos dispositivos y paradigmas de computación fundamentalmente distintos si queremos conseguir mejoras substanciales de rendimiento en el futuro
Neuronas de silicio
• La falta de un International Technology Roadmap for Semiconductors consensuado desde 2013 nos proporciona un clara evidencia del fin de la ley de Moore
11
¿Es por el fin de la ley de Moore?
No, eso es un mito
La Computación Cuántica no ha llegado para reemplazar a los ordenadores clásicos
ni si quiera para extender la vida de la ley de Moore
Esta aquí para AUMENTARLOS: Un ordenador cuántico podrá resolver problemas que un ordenador clásico no podrá resolver nunca
El Acelerador definitivo
12
¿Y qué es lo que hace un computador cuántico?
Richard Feynman Simulating Physics with Computers: Int J Theo Phys 21 467 Simulaciones Cuánticas: Moléculas, materiales Cliente: La industria farmacéutica
David Deustch Quantum Turing Machine: Proc. Royal Society 400 97 Paralelismo cuántico: Mínimo global Clientes: Finanzas, modelos de gran escala, predicción del tiempo
Peter Shor Prime Factorization and discrete logarithms: SIAM J. Compt 26 1484 Criptografía RSA: Encriptación de datos Clientes: Gobierno y el ejercito
Lov Grover Database Searches: Phys Rev Lett 79 325 Clientes: Big Data, Machine Learning
13
Qubits Físicos – Hardware
Qubits Superconductores
Rigetti et al. Phys. Rev. B 86, 100506(R) (2012)
Trampas de iones NMR
Ryan et al. New J. Phys 11, 013034 (2009) Langer et al. Phys Rev Lett 95, 060502 (2005)
Qubits Semiconductores
Ladd et al. Nature 464, 45 (2010) 15
Houck QIP 8 105 (2009)
T2 = 3us
Transmon Qubits
Xmon Qubits
Barends PRL 11 080502 (2013)
Mejora de la connectividad
T2=40 us
18
Qubits Superconductores
Código de superficie de Kitaev
Fowler PRA, 86 032034
2 Qubits 1 Bit-flip 1 Phase-flip Riste Nat Comm, 6 6983
3 Qubits 2 Comprobadores Bit-flip
Corcoles Nat Comm, 6 6979
5 qubits 4 Comprobadores Bit-flip
Kelly Nature , 519 66
Qubits Superconductores: Código de superficie
Ver el Quantum Experience
19
Qubits Semiconductores
Espines electrónicos en Puntos Cuánticos
Elzerman et al. Nature 430 432 (2004)
Espines electrónicos y nucleares en Impurezas en semiconductores
Morello et al. Nature 467 687 (2010)
Qubit de un solo
espín
Qubit
singlete-triplete
Qubit de intercambio Qubit hibrido
20
Qubits Semiconductores: Avances
Puertas de 1 Qubit
Medford et al. Nat Nano 8, 654 (2013)
Maune et al. Nature 481, 344 (2012)
CONTROL ELECTRICO
Puertas de 2 Qubits
Shulman et al. Science 336 202 (2012)
Veldhorst et al. arxiv 411.5760v1 (2015)
Puerta de
intercambio
Acoplo capacitivo Koppens et al Nature 442 766 (2006)
21
Silicio: Un vacío de estado solido
Bluhm et al. Nat Phys 7 109 (2011)
GaAs
Entorno lleno de espines nucleares
Acoplo spin-orbita fuerte
T2DD
=200 µs
Silicio
Entorno casi libre de espines (28Si)
Acoplo spin-orbita débil
T2HE
=28 ms
Veldhorst et al. Nat Nano 9 981 (2014)
22
Resumen de qubits de estado sólido
Superconducting Qubits (Xmons)
Kelly Nature , 519 66 (2015)
Tiempo de coherencia T2*
= 20 µs
Manipulación rápida ~ 25 ns
Acoplo primeros vecinos fácil
Lectura en chip
Corrección de errores demostrada
Semiconductor Qubits (Silicon)
Ladd et al. Nature 464, 45 (2010)
Purificado isotópicamente
Tiempo de coherencia largo T2*
= 120 μs
Tiempo de manipulación ~ 0.1-1 μs
Puerta de 2 QUBITs
Amplia infraestructura microelectrónica
Fácil de integrar con CMOS
23
La batalla de la Computación Cuántica
¿Superconductor o Espín?
“Es como decidir entre Apple o Android”
Casparis, PRL 116, 150505 (2016) 24
¿Cuántos qubits necesitamos?
• 2 Qubits: Simulate Hydrogen Molecule- Variation Quantum Eigensolver Martinis PRX 6 031007 (2016)
• 50 Qubits: Quantum Supremacy – Simulating the behaviour of a random
arrangement of quantum circuits. Compared with Edison US National Energy Research Scientific Computing Center (47 qubits)
Martinis in next couple of years arxiv.org/abs/1608.00263 • ~50-100 Qubits: Simulating Simple Molecules. Fertilizers, Catalysers.
• Really tough problems: ????
25
26
Los ordenadores cuánticos factorizan
25195908475657893494027183240048398571429282126204032027777137836043662020707595556264018525880784406918290641249515082189298559149176184502808489120072844992687392807287776735971418347270261896375014971824691165077613379859095700097330459748808428401797429100642458691817195118746121515172654632282216869987549182422433637259085141865462043576798423387184774447920739934236584823824281198163815010674810451660377306056201619676256133844143603833904414952634432190114657544454178424020924616515723350778707749817125772467962926386356373289912154831438167899885040445364023527381951378636564391212010397122822120720357
26
Una idea de cuan difícil es factorizar números:
• RSA-2048 tiene 617 cifras y se espera que se tarde unos 3000 años en factorizar (premio 200,000 US)
• RSA-768 tiene 232 dígitos y costo 2 años en factorizar utilizando el equivalente
de 2000 años en un núcleo de 2.2 GHz
27
El siguiente paso: Circuitos cuánticos integrados
Teniendo en cuanta protocolos de corrección de errores (<0.1%) se estima que para factorizar un numero con 600 cifras decimales necesitaremos un
procesador cuántico con 107 qubits funcionando durante 1 día Fowler, PRA 86, 032324 (2012)
Y si la misma tecnología responsable de la Edad de la Información
hiciera posible el comienzo de la Era de la Información Cuántica
5.5 billion transistors (18-core Xeon Haswell-EP) 256 billion transistors weighting 0.5 g
Un Qubit CMOS: Transistor de puerta doble
El Qubit: Un PC compacto
Lectura :
Detección de carga in-situ Manipulación:
Control coherente
Gonzalez-Zalba et al., Nature Comm. (2015) Betz et al., Nano Letters (2015)
Espines electrónicos en puntos cuánticos dobles
basados en transistores
Integración
Gonzalez-Zalba, Nano Letters (2016)
1 Transistor = 1 Qubit
200 nm
La manera CMOS: Punto Cuántico Doble
Voisin et al., Nano Letters 14 2094
Gonzalez-Zalba et al., Nat. Commun. 6 6084
corner state
32
Arquitecturas simples y compactas
QPC SENSOR
SET SENSOR
¡TENEMOS QUE MEJORAR LA INTEGRACION!
SET SENSOR
QPC SENSOR
34
Lectura resonante RF
Número de elementos reducidos Detección dispersiva
1/2
rf-QPC 100 μe/Hz1/2 Mason, Physica E (2010)
rf-SET ≤ 1 μe/Hz1/2 Aassime, PRL (2001)
Brenning, JAP (2006)
cQED 84 μe/Hz1/2 Basset, APL (2014)
rf-gate readout 6 me/Hz1/2 Colless, PRL (2013)
Reflectometría RF de puerta
35
© Hitachi, Ltd. 2014. All rights reserved.
30mK
Vds
γ, Φ
𝑓𝑟𝑓 =1
𝐿𝐶𝑇
Colless PRL 110 046805
¿Cómo los leemos? Lectura de puerta RF in-situ
36
A la frecuencia de resonancia: - Disipación en el sistema - Capacidad Cuántica o Túnel
© Hitachi, Ltd. 2014. All rights reserved.
(0,0)
(0,1)
(1,0)
(1,1)
30mK
Vds
γ, Φ
𝑓𝑟𝑓 =1
𝐿𝐶𝑇
Colless PRL 110 046805
Gonzalez-Zalba, Betz et al., Nature Comm. 6 6084 37
¿Cómo los leemos? Lectura de puerta RF in-situ
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Control Coherente
Gonzalez-Zalba, Nano Letters (2016)
Δc
Un sistema cuántico de 2 niveles
Autoenergias
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Control Coherente
Oscilaciones de Rabi Multifotón
Frecuencia Rabi= 40 GHz Tiempo de coherencia= 250 ps
Figura de Mérito= 10 op
Qubit de Carga Integrado CMOS
Gonzalez-Zalba, Nano Letters (2016)
© Hitachi, Ltd. 2014. All rights reserved.
Integración Cuántica
G1
G2
Transistor de Puerta Doble
Betz et al., Nano Letters (2015)
Qubit de Espín
Típico T2 ~ ms
Rabi Freq. ~ GHz
Proyecto Europeo
(H2020)
Lectura dispersiva detecta movimiento de carga
• Strong coupling: RF gate – QD2 → 1 set of lines
• QD2 coupled to charge transitions in separate object → kinks → coupling to QD1
QD1 QD2
B=0 B=0
e
Betz et al., Nano Letters (2015) 42
e
Detección dispersiva del bloqueo de espín de Pauli
(2,0)
(1,1)
B=0 B=0
B>0
(2,0)
(1,1)
magnetic field
Betz et al., Nano Letters (2015) Urdampilleta, PRX (2015)
43
Resumen: Hacia una arquitectura CMOS de espín
Transistor de una sola puerta Transistor de puerta doble
Gonzalez-Zalba, Nano Letters 16 1614 (2016)
Control Coherente de un Qubit de Carga
Betz, Nano Letters 15(7), 4622 (2015)
Lectura de espín en un S-T Qubit
Transistor de 4 puertas
Detección de carga in-situ y PCD compactos
Gonzalez-Zalba, Nat Commun 6 6084 (2015)
44
Betz et al., APL 108 203108
Transistor de 4 puertas
45
Resumen: Hacia una arquitectura CMOS de espín
Take home massage
Y si la misma tecnología responsable de la Edad de la Información
hiciera posible el comienzo de la Era de la Información Cuántica
Andreas Betz
Sylvain
Barraud
Andrew
Ferguson
Sergey
Shevchenko Franco Nori
Marc
Sanquer
Maud
Vinet
Romain
Wacquez Xavier
Jehl
Anasua
Chatterjee
John J L
Morton