Computación Cuántica con transistores CMOS de...

© 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

Gate-based RF readout for QIP

¿Por qué computación cuántica?

¿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


Ordenadores Cuánticos:

Hardware

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


17

Houck QIP 8 105 (2009)

T2 = 3us

Transmon Qubits

Xmon Qubits

Barends PRL 11 080502 (2013)

Mejora de la connectividad

T2=40 us

18


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

http://arxiv.org/abs/1608.00263



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


Computación cuántica

con transistores de silicio

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


Puntos Cuánticos Dobles

Compactos

TEC silicio sobre aislante totalemente vaciado 3D

w>10 nm L > 10 nm t=10 nm 31

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


Detección de carga in-situ

Reflectometría de puerta

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


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


(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


Control Coherente


Δc

Un sistema cuántico de 2 niveles

Autoenergias


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


¿Cómo seguimos?

Qubits de Espín

en Transistores de Puerta Doble


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

Gracias. ¿Preguntas?

Fernando: [email protected]

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