Three-qubit Computing Platform Is Made From Electron Spins

Újra kiadta Platón

Követő: 0

Elektron spin qubitek — Több qubit platform: ezen az ábrán egy vassal bevont STM csúcs (felül) működteti az érzékelő spin qubitjét. Szintén láthatók a távoli spin qubitek, amelyek a közeli vasatomok mágneses mezői által vannak igazítva. (Jóvolt: Alaptudományi Intézet)

Több spin-alapú kvantumbit (qubit) egyidejű működésére is alkalmas kvantumszámítási platformot hoztak létre dél-koreai kutatók. Tervezte Yujeong Bae, Soo-hyon Phark, Andrew Heinrich és munkatársai a szöuli Alaptudományi Intézetben a rendszert atomról atomra állítják össze pásztázó alagútmikroszkóp (STM) segítségével.

Míg a jövő kvantumszámítógépeinek képesnek kell lenniük bizonyos feladatokban a hagyományos számítógépekét felülmúlni, a mai születőben lévő kvantumprocesszorok még mindig túl kicsik és zajosak a gyakorlati számításokhoz. Sokkal többet kell tenni életképes qubit platformok létrehozásáért, amelyek elég hosszú ideig képesek megőrizni az információkat ahhoz, hogy a kvantumszámítógépek életképesek legyenek.

A qubiteket már számos különböző technológia felhasználásával fejlesztették ki, beleértve a szuperszámítógépes áramköröket és a csapdába esett ionokat. Egyes fizikusok is szívesen hoznak létre qubiteket az egyes elektronok spinjei felhasználásával – de az ilyen kubitok nem olyan fejlettek, mint egyes társaik. Ez azonban nem jelenti azt, hogy a spin-alapú qubitek nem futnak.

„Ezen a ponton minden létező kvantumszámítási platformnak jelentős hátrányai vannak, ezért elengedhetetlen az új megközelítések vizsgálata” – magyarázza Heinrich.

Precíz összeszerelés

Egy életképes, spin-alapú processzor létrehozásához a qubiteket pontosan össze kell szerelni, megbízhatóan össze kell kapcsolni, és kvantumkoherens módon kell működtetni, mindezt ugyanazon a platformon. Ez olyan dolog, ami eddig elkerülte a kutatókat – a szöuli székhelyű csapat szerint.

A kutatók egy STM segítségével hozták létre többkbites platformjukat, amely egy hatékony eszköz az anyag atomi léptékű képalkotására és manipulálására. Ha az STM vezető csúcsát nagyon közel hozzák a minta felületéhez, az elektronok képesek kvantummechanikailag alagútba lépni a csúcs és a minta felülete között.

Mivel az alagút kialakulásának valószínűsége erősen függ a csúcs és a felület távolságától, az STM fel tudja térképezni a minta nanoméretű topográfiáját az alagút elektronok áramának mérésével. A felületen lévő egyes atomok úgy is manipulálhatók és összeállíthatók, hogy a csúcs által kifejtett nanoméretű erőkkel körbenyomják őket.

E képességek felhasználásával a csapat „bemutatta az első qubit platformot atomi léptékű pontossággal” Heinrich szerint. "Felületeken az elektron spineken alapul, amelyek atomosan pontos távolságra helyezhetők el egymástól."

Szenzor qubit

Az STM segítségével a kutatók rendszerüket egy magnézium-oxid kettősrétegű film érintetlen felületére állították össze. A rendszer tartalmaz egy „érzékelő” qubitet, amely egy spin-1/2 titán atom, amely közvetlenül az STM csúcs alatt helyezkedik el. A hegy vasatomokkal van bevonva, ami azt jelenti, hogy használható helyi mágneses tér kifejtésére (lásd az ábrát).

A csúcs mindkét oldalán van egy pár „távoli” qubit – szintén spin-1/2 titánatom. Ezeket pontos távolságra helyezik el az érzékelő qubittől, azon a területen kívül, ahol az atomok közötti elektronalagút előfordulhat.

A távoli qubitek és a szenzor qubit egyidejű vezérlése érdekében a csapat egy mágneses mező gradienst hozott létre vasatomok közeli elhelyezésével. A vasatomok egyatomos mágnesként viselkednek, mert spin-relaxációs idejük messze meghaladja az egyes qubitek működési idejét.

Ily módon a vasatomok mindegyike helyettesíti az STM csúcsot, statikus, lokális mágneses teret biztosítva az egyes távoli qubitek spinjeihez. A qubitek spinállapotai közötti átmeneteket az STM csúcs segítségével hajtják végre, hogy rádiófrekvenciás impulzusokat alkalmazzanak a rendszerben – ezt a technikát elektronspin rezonanciának nevezik.

Megszólított és manipulált

A csapat úgy inicializálta a qubiteket, hogy 0.4 K-re hűtötték őket, majd külső mágneses mezőt alkalmaztak, hogy ugyanabba a pörgési állapotba hozzák őket, és összekapcsolják őket. Utána az érzékelő qubit állapota megbízhatóan függött mindkét távoli qubit állapotától, de az STM csúcsa továbbra is egyedileg kezelhető és manipulálható volt.

Az eredmény egy teljesen új qubit platform volt, amely lehetővé tette több qubit egyidejű működtetését. „Tanulmányunk egyetlen kubites, két kubites és három kubites kaput ért el jó kvantumkoherenciával” – mondja Heinrich.

Hozzáteszi, hogy „a platformnak megvannak az előnyei és hátrányai. Az előnyök mellett atomosan precíz, ezért könnyen lemásolható. Hátrányaként a kvantumkoherencia jó, de tovább kell javítani.”

Ha ezek a kihívások leküzdhetők, Heinrich és munkatársai fényes jövőt látnak rendszerük számára.

"Úgy gondoljuk, hogy ez a megközelítés viszonylag könnyen méretezhető több tíz elektronqubitre" - mondja Heinrich. „Ezek az elektron spinek is szabályozhatóan összekapcsolhatók magspinekkel, ami hatékony kvantumhiba-javítást tesz lehetővé, és növeli a kvantumműveletek számára rendelkezésre álló Hilbert-teret. Csak megkarcoltuk a felszínt!”

A kutatás leírása a Tudomány.