Исследователи из QuTech разработали кувыркающиеся спиновые кубиты для универсальной квантовой логики. Это достижение может обеспечить эффективное управление большими массивами полупроводниковых кубитов. Исследовательская группа опубликовала свою демонстрацию прыжковых спинов в Nature Communications и свою работу по кувыркающимся спинам в Science .
В 1998 году Лосс и ДиВинченцо опубликовали основополагающую работу «Квантовые вычисления с квантовыми точками ». В их оригинальной работе прыжки спинов были предложены в качестве основы для логики кубитов, но экспериментальная реализация так и не была реализована. Спустя более 20 лет эксперименты догнали теорию. Исследователи из QuTech — коллаборации TU Delft и TNO — продемонстрировали, что оригинальные «прыжковые вентили» действительно возможны, с производительностью на уровне современных технологий.
Делаем контроль простым
Кубиты на основе квантовых точек изучаются во всем мире, поскольку они считаются убедительной платформой для создания квантового компьютера. Наиболее популярный подход заключается в том, чтобы захватить один электрон и применить достаточно большое магнитное поле, что позволяет использовать спин электрона в качестве кубита и управлять им с помощью микроволновых сигналов.
Однако в этой работе исследователи демонстрируют, что микроволновые сигналы не нужны. Вместо этого для достижения универсального управления кубитом достаточно сигналов основной полосы и небольших магнитных полей. Это выгодно, поскольку может значительно упростить управляющую электронику, необходимую для работы будущих квантовых процессоров.
От прыгающих до кувыркающихся кубитов
Управление спином требует прыжков от точки к точке и физического механизма, способного вращать его. Первоначально предложение Лосса и ДиВинченцо использовало определенный тип магнита, который оказалось трудно реализовать экспериментально.
Вместо этого группа в QuTech стала пионером германия. Этот полупроводник, что удобно, сам по себе уже может допускать вращения спина. Это мотивировано работой, опубликованной в Nature Communications , где Флор ван Риггелен-Доэльман и Корентен Депре из той же группы показывают, что германий может служить платформой для прыжков спиновых кубитов в качестве основы для создания квантовых связей. Они наблюдали первые признаки вращения спина.
При рассмотрении разницы между прыгающими и кувыркающимися кубитами представьте массивы квантовых точек как батутный парк, где спины электронов подобны прыжкам людей. Обычно у каждого человека есть свой батут, но они могут перепрыгивать на соседние батуты, если они доступны. Германий обладает уникальным свойством: просто перепрыгивая с одного батута на другой, человек испытывает крутящий момент, который заставляет его кувыркаться. Это свойство позволяет исследователям эффективно управлять кубитами.
Чиен-Ан Ван, первый автор статьи в Science , уточняет: «Германий обладает преимуществом выравнивания спинов по разным направлениям в разных квантовых точках». Оказалось, что очень хорошие кубиты можно создавать, перескакивая спины между такими квантовыми точками. «Мы измерили частоту ошибок менее тысячи для однокубитных вентилей и менее сотни для двухкубитных вентилей».
Кувыркающиеся кубиты в батутном парке
Установив контроль над двумя спинами в системе из четырех квантовых точек, команда сделала еще один шаг вперед. Вместо того, чтобы прыгать спинами между двумя квантовыми точками, команда также исследовала прыжки через несколько квантовых точек. Аналогично, это соответствовало бы человеку, который прыгает и кувыркается через множество батутов. Соавтор Валентин Джон объясняет: «Для квантовых вычислений необходимо управлять и связывать большое количество кубитов с высокой точностью».
Разные батуты заставляют людей испытывать разные крутящие моменты при прыжках, и аналогично, прыжковые вращения между квантовыми точками также приводят к уникальным вращениям. Поэтому важно охарактеризовать и понять изменчивость.
Соавтор Франческо Борсой добавляет: «Мы разработали процедуры управления, которые позволяют переносить спины на любую квантовую точку в массиве из 10 квантовых точек, что позволяет нам исследовать ключевые метрики кубитов в расширенных системах».
«Я горжусь тем, что вижу всю командную работу», — говорит главный исследователь Менно Вельдхорст. «За год наблюдение за вращениями кубитов из-за прыжков стало инструментом, который использует вся группа. Мы считаем, что крайне важно разработать эффективные схемы управления для работы будущих квантовых компьютеров, и этот новый подход является многообещающим».
Дополнительная информация: Ван и др. Операционные полупроводниковые квантовые процессоры с прыгающими спинами, Science (2024), DOI: 10.1126/science.ado5915
Ван Риггелен-Доэльман и др. Когерентное перемещение спинового кубита через германиевые квантовые точки, Nature Communications (2024), DOI: 10.1038/s41467-024-49358-y
Информация о журнале: Science , Nature Communications
Предоставлено QuTech