XNUMX量子ビットのコンピューティングプラットフォームは電子スピンから作られる – Physics World

複数のスピンベースの量子ビット（量子ビット）を同時に操作できる量子コンピューティングプラットフォームが、韓国の研究者によって開発された。 によって設計された ペ・ユジョン, スヒョン・パク, アンドリュー・ハインリッヒ ソウル基礎科学研究所の同氏らは、このシステムは走査型トンネル顕微鏡（STM）を使用して原子ごとに組み立てられる。

将来の量子コンピューターは特定のタスクでは従来のコンピューターを上回るパフォーマンスを発揮できるはずですが、今日の初期の量子プロセッサーはまだ小さすぎてノイズが多く、実用的な計算を実行できません。 量子コンピューターが実行できるのに十分な期間情報を保持できる実行可能な量子ビットプラットフォームを作成するには、さらに多くのことを行う必要があります。

量子ビットは、スーパーコンピューティング回路やトラップされたイオンなど、いくつかの異なるテクノロジーを使用してすでに開発されています。 一部の物理学者は、個々の電子のスピンを使用して量子ビットを作成することに熱心ですが、そのような量子ビットは一部の量子ビットほど高度ではありません。 ただし、それはスピンベースの量子ビットが廃止されることを意味するものではありません。

「現時点では、量子コンピューティング用の既存のプラットフォームにはすべて大きな欠点があるため、新しいアプローチを調査することが不可欠です」とハインリッヒ氏は説明します。

正確な組み立て

実行可能なスピンベースのプロセッサを作成するには、すべて同じプラットフォーム上で量子ビットを正確に組み立て、確実に結合し、量子コヒーレントな方法で動作させる必要があります。 ソウルを拠点とする研究チームによると、これはこれまで研究者が発見できなかったものだという。

研究者らは、原子スケールで物質をイメージングして操作するための強力なツールである STM を利用して、マルチ量子ビット プラットフォームを作成しました。 STM の導電性チップをサンプル表面に非常に近づけると、電子はチップとサンプル表面の間を量子力学的にトンネルすることができます。

トンネリングの確率はチップと表面の間の距離に大きく依存するため、STM はこれらのトンネリング電子の電流を測定することによってサンプルのナノスケールのトポグラフィーをマッピングできます。 表面上の個々の原子は、チップによって加えられるナノスケールの力で押し回すことによって操作および組み立てることもできます。

ハインリッヒ氏によると、これらの機能を使用して、チームは「原子スケールの精度を備えた最初の量子ビットプラットフォームを実証した」という。 「これは表面上の電子スピンに基づいており、互いに原子的に正確な距離に配置することができます。」

センサー量子ビット

STM を使用して、研究者らは酸化マグネシウム二層膜の未処理の表面上にシステムを組み立てました。 このシステムには、STM チップの直下に位置するスピン 1/2 チタン原子である「センサー」量子ビットが含まれています。 先端は鉄原子でコーティングされているため、局所的な磁場を適用するために使用できます (図を参照)。

チップの両側には一対の「リモート」量子ビットがあり、これもスピン 1/2 チタン原子です。 これらは、原子間の電子トンネリングが発生する可能性のある領域の外側、センサー量子ビットから正確な距離に配置されます。

センサー量子ビットと同時にリモート量子ビットを制御するために、チームは近くに鉄原子を配置して磁場勾配を作成しました。 鉄原子は、スピン緩和時間が個々の量子ビットの動作時間をはるかに超えるため、単一原子磁石として動作します。

このように、鉄原子はそれぞれ、リモート量子ビットのスピンを整列させるための静的な局所磁場を提供する際に、STM チップの代わりとして機能します。 量子ビットのスピン状態間の遷移は、STM チップを使用してシステムに高周波パルスを印加することによって行われます。これは電子スピン共鳴と呼ばれる技術です。

対処され操作される

研究チームは量子ビットを0.4 Kに冷却し、外部磁場を加えて同じスピン状態にして結合させることで量子ビットを初期化した。 その後、センサー量子ビットの状態は両方のリモート量子ビットの状態に確実に依存しますが、それでも STM チップによって個別にアドレス指定して操作することができました。

全体的な結果は、複数の量子ビットを同時に操作できるまったく新しい量子ビット プラットフォームでした。 「私たちの研究では、優れた量子コヒーレンスを備えた単一量子ビット、XNUMX 量子ビット、および XNUMX 量子ビットのゲートを達成しました」とハインリッヒ氏は言います。

彼は次のように付け加えています。「プラットフォームには長所と短所があります。 プロの場合、それは原子的に正確であるため、簡単に複製できます。 短所としては、量子コヒーレンスは良好ですが、さらに改善する必要があります。」

これらの課題を克服できれば、ハインリッヒ氏らは自分たちのシステムに明るい未来があると考えています。

「このアプローチは比較的簡単に数十電子量子ビットまで拡張できると考えています」とハインリッヒ氏は言う。 「それらの電子スピンは核スピンと制御可能に結合することもでき、これにより効率的な量子誤差補正が可能になり、量子演算に利用可能なヒルベルト空間が増加する可能性があります。」 まだ表面をなぞっただけです！」

研究はで説明されています 科学.

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• 情報源： https://physicsworld.com/a/three-qubit-computing-platform-is-made-from-electron-spins/