Kubity spinowe skaczą na trampolinie, aby utworzyć bramki kwantowe i łączyć się z innymi kubitami spinowymi w chipie. Źródło: Studio Oostrum dla QuTech
Naukowcy z QuTech opracowali kubity spinowe typu salto na potrzeby uniwersalnej logiki kwantowej. To osiągnięcie może umożliwić efektywne sterowanie dużymi półprzewodnikowymi tablicami kubitów.
Ponad dwadzieścia lat po propozycji Lossa i DiVincenzo dotyczącej obliczeń kwantowych za pomocą kropek kwantowych badacze QuTech zrealizowali te koncepcje, wykorzystując german w celu ułatwienia kontroli spinu. Takie podejście upraszcza elektronikę potrzebną do obliczenia kwantowewykazując skuteczną kontrolę nad rozszerzonymi układami kropek kwantowych.
Kubity kropek kwantowych
W 1998 roku Loss i DiVincenzo opublikowali przełomową pracę „Obliczenia kwantowe za pomocą kropek kwantowych”. W ich oryginalnej pracy zaproponowano przeskakiwanie spinów jako podstawę logiki kubitowej, ale nadal brakowało eksperymentalnej implementacji. Po ponad 20 latach eksperymenty dogoniły teorię. Naukowcy z QuTech — powstałego we współpracy pomiędzy TU Delft i TNO — wykazali, że oryginalne „bramy przeskakujące” są rzeczywiście możliwe przy najnowocześniejszej wydajności.
Współautorzy: Floor van Riggelen (z przodu) i Sander de Snoo. Źródło: Marc Blommaert dla QuTech
Postępy w kontroli Qubitów
Kubity oparte na kropkach kwantowych są badane na całym świecie, ponieważ uważa się je za atrakcyjną platformę do budowy komputera kwantowego. Najpopularniejszym podejściem jest uwięzienie pojedynczego elektronu i przyłożenie wystarczająco dużego pola magnetycznego, co pozwala na wykorzystanie spinu elektronu jako kubitu i kontrolowanie go sygnałami mikrofalowymi.
Jednak w tej pracy naukowcy wykazali, że nie są potrzebne żadne sygnały mikrofalowe. Zamiast tego do osiągnięcia uniwersalnej kontroli kubitów wystarczą sygnały pasma podstawowego i małe pola magnetyczne. Jest to korzystne, ponieważ może znacznie uprościć elektronikę sterującą wymaganą do obsługi przyszłych procesorów kwantowych.
Od skakania do salta w kubitach
Kontrolowanie obrotu wymaga przeskakiwania z kropki na kropkę i fizycznego mechanizmu zdolnego do obracania go. Początkowo propozycja Lossa i DiVincenzo wykorzystuje specyficzny rodzaj magnesu, co okazało się trudne do zrealizowania eksperymentalnie. Zamiast tego grupa w QuTech była pionierem w dziedzinie germanu. Ten półprzewodnik dogodnie może sam już umożliwiać obroty spinu. Motywują to prace opublikowane w Komunikacja przyrodnicza, gdzie Floor van Riggelen-Doelman i Corentin Déprez z tej samej grupy pokazują, że german może służyć jako platforma do przeskakiwania kubitów spinowych jako podstawa do tworzenia połączeń kwantowych. Zaobserwowali pierwsze oznaki rotacji spinu.
Rozważając różnicę między kubitami skaczącymi i wykonującymi salta, pomyśl o układach kropek kwantowych jak o parku trampolin, w którym spiny elektronów przypominają skakanie ludzi. Zazwyczaj każda osoba ma przydzieloną trampolinę, ale może wskoczyć na sąsiednie trampoliny, jeśli są dostępne. German ma wyjątkową właściwość: po prostu skacząc z jednej trampoliny na drugą, osoba doświadcza momentu obrotowego, który powoduje, że wykonuje salto. Ta właściwość pozwala badaczom skutecznie kontrolować kubity.
Współautorzy Sasha Ivlev, Hanifa Tidjani i Chien-An Wang (od lewej do prawej) sprawdzają zamontowaną jednostkę przetwarzania kwantowego. Źródło: Marc Blommaert dla QuTech
Chien-An Wang, pierwszy autor Nauka w artykule precyzuje: „Zaletą germanu jest wyrównywanie spinów w różnych kierunkach w różnych kropkach kwantowych”. Okazało się, że bardzo dobre kubity można uzyskać przeskakując spiny pomiędzy takimi kropkami kwantowymi. „Zmierzyliśmy współczynniki błędów mniejsze niż tysiąc dla bramek jednokubitowych i mniej niż sto dla bramek dwukubitowych”.
Salto kubitów w parku trampolin
Po uzyskaniu kontroli nad dwoma spinami w układzie czterech kropek kwantowych zespół poszedł o krok dalej. Zamiast przeskakiwać spiny między dwiema kropkami kwantowymi, zespół badał także przeskakiwanie przez kilka kropek kwantowych. Analogicznie odpowiadałoby to osobie skaczącej i wykonującej salta na wielu trampolinach. Współautor Valentin John wyjaśnia: „W przypadku obliczeń kwantowych konieczna jest obsługa i łączenie dużej liczby kubitów z dużą precyzją”.
Różne trampoliny sprawiają, że ludzie doświadczają różnych momentów obrotowych podczas skoków i podobnie, przeskakiwanie spinów między kropkami kwantowymi również skutkuje unikalnymi obrotami. Dlatego ważne jest, aby scharakteryzować i zrozumieć zmienność. Współautor Francesco Borsoi dodaje: „Ustanowiliśmy procedury kontrolne, które umożliwiają przeskakiwanie spinów do dowolnej kropki kwantowej w układzie 10 kropek kwantowych, co pozwala nam badać kluczowe metryki kubitów w rozbudowanych systemach”.
Wysiłek drużynowy
„Jestem dumny, widząc całą pracę zespołową” – podsumowuje główny badacz Menno Veldhorst. „W ciągu roku obserwacja rotacji kubitów w wyniku przeskakiwania stała się narzędziem używanym przez całą grupę. Uważamy, że opracowanie skutecznych schematów kontroli działania przyszłych komputerów kwantowych ma kluczowe znaczenie, a to nowe podejście jest obiecujące”.
Bibliografia:
„Spójny kubit spinowy przemieszczający się przez germanowe kropki kwantowe”: Floor van Riggelen-Doelman, Chien-An Wang, Sander L. de Snoo, William IL Lawrie, Nico W. Hendrickx, Maximilian Rimbach-Russ, Amir Sammak, Giordano Scappucci, Corentin Déprez i Menno Veldhorst, 8 lipca 2024 r., Komunikacja przyrodnicza.
DOI: 10.1038/s41467-024-49358-y
„Obsługa półprzewodnikowych procesorów kwantowych z przeskakującymi spinami” 25 lipca 2024 r., Nauka.
DOI: 10.1126/science.ado5915
