Identificarea blocajului spin Pauli folosind deep learning

Identificarea blocajului spin Pauli folosind deep learning

Jonas Schuff1, Dominic T. Lennon1, Simon Geyer2, David L. Craig1, Federico Fedele1, Florian Vigneau1, Leon C. Camenzind2, Andreas V. Kuhlmann2, G. Andrew D. Briggs1, Dominik M. Zumbühl2, Dino Sejdinovic3, și Natalia Ares4

1Departamentul de Materiale, Universitatea din Oxford, Oxford OX1 3PH, Regatul Unit
2Departamentul de Fizică, Universitatea din Basel, 4056 Basel, Elveția
3Școala de Calculatoare și Științe Matematice și AIML, Universitatea din Adelaide, SA 5005, Australia
4Departamentul de Științe Inginerie, Universitatea din Oxford, Oxford OX1 3PJ, Regatul Unit

Găsiți această lucrare interesant sau doriți să discutați? Scite sau lasă un comentariu la SciRate.

Abstract

Blocarea de spin Pauli (PSB) poate fi folosită ca o resursă excelentă pentru inițializarea și citirea qubitului de spin chiar și la temperaturi ridicate, dar poate fi dificil de identificat. Vă prezentăm un algoritm de învățare automată capabil să identifice automat PSB folosind măsurătorile transportului de sarcină. Lipsa datelor PSB este ocolită prin antrenarea algoritmului cu date simulate și prin utilizarea validării între dispozitive. Demonstrăm abordarea noastră pe un dispozitiv cu tranzistor cu efect de câmp din siliciu și raportăm o precizie de 96% pe diferite dispozitive de testare, dând dovezi că abordarea este robustă la variabilitatea dispozitivului. Algoritmul nostru, un pas esențial pentru realizarea reglajului qubit complet automat, este de așteptat să fie utilizabil pe toate tipurile de dispozitive cu puncte cuantice.

Am dezvoltat un algoritm de învățare automată pentru a detecta automat un efect evaziv legat de funcționarea dispozitivelor care apar în prezent printre arhitecturile candidate preferate pentru tehnologiile cuantice, qubiții semiconductori. Acesta este un pas important către calculul cuantic scalabil cu circuite semiconductoare. Efectul, blocarea de spin Pauli (PSB), poate fi folosit pentru inițierea și citirea qubiților, o cerință fundamentală a calculului cuantic. Cu toate acestea, detectarea PSB este o provocare din cauza rarității și sensibilității sale la variațiile materialelor și defectele de fabricație. Pentru a depăși acest lucru, am folosit un simulator inspirat de fizică și o metodă numită validare între dispozitive, antrenând algoritmul pe datele de pe un dispozitiv și testându-l pe altul. Demonstrat pe un dispozitiv cu tranzistor cu efect de câmp din siliciu, algoritmul a obținut o precizie de 96% în identificarea PSB pe diferite dispozitive de testare. Interesant, studiul a constatat că datele simulate sunt mai importante pentru antrenamentul algoritmului decât datele din lumea reală, în principal datorită disponibilității limitate a datelor experimentale cuprinzătoare. Această cercetare accelerează realizarea de calculatoare cuantice practice, scalabile.

► Date BibTeX

► Referințe

[1] Daniel Loss și David P DiVincenzo. Calcul cuantic cu puncte cuantice. Physical Review A, 57 (1): 120, 1998. 10.1103/​PhysRevA.57.120.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.57.120

[2] LMK Vandersypen, H Bluhm, JS Clarke, AS Dzurak, R Ishihara, A Morello, DJ Reilly, LR Schreiber și M Veldhorst. Interfața cu qubiți de spin în puncte cuantice și donatori – fierbinți, denși și coerenti. npj Quantum Information, 3 (1): 1–10, 2017. 10.1038/​s41534-017-0038-y.
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41534-017-0038-y

[3] Toivo Hensgens, Takafumi Fujita, Laurens Janssen, Xiao Li, CJ Van Diepen, Christian Reichl, Werner Wegscheider, S Das Sarma și Lieven MK Vandersypen. Simularea cuantică a unui model Fermi-Hubbard folosind o matrice de puncte cuantice semiconductoare. Nature, 548 (7665): 70–73, 2017. 10.1038/​nature23022.
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature23022

[4] Menno Veldhorst, CH Yang, JCC Hwang, W Huang, JP Dehollain, JT Muhonen, S Simmons, A Laucht, FE Hudson, Kohei M Itoh și colab. O poartă logică de doi qubiți din siliciu. Nature, 526 (7573): 410–414, 2015. 10.1038/​nature15263.
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature15263

[5] Pascal Cerfontaine, Tim Botzem, Julian Ritzmann, Simon Sebastian Humpohl, Arne Ludwig, Dieter Schuh, Dominique Bougeard, Andreas D Wieck și Hendrik Bluhm. Control în buclă închisă al unui qubit de spin singlet-triplet bazat pe GaAs cu fidelitate a porții de 99.5% și scurgere redusă. Nature Communications, 11 (1): 1–6, 2020. 10.1038/​s41467-020-17865-3.
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41467-020-17865-3

[6] Akito Noiri, Kenta Takeda, Takashi Nakajima, Takashi Kobayashi, Amir Sammak, Giordano Scappucci și Seigo Tarucha. Poarta cuantică universală rapidă peste pragul de toleranță la erori în siliciu. Nature, 601 (7893): 338–342, 2022. 10.1038/​s41586-021-04182-y.
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41586-021-04182-y

[7] Stephan GJ Philips, Mateusz T Mądzik, Sergey V Amitonov, Sander L de Snoo, Maximilian Russ, Nima Kalhor, Christian Volk, William IL Lawrie, Delphine Brousse, Larysa Tryputen și colab. Control universal al unui procesor cuantic de șase qubiți din siliciu. Nature, 609 (7929): 919–924, 2022. 10.1038/​s41586-022-05117-x.
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41586-022-05117-x

[8] Federico Fedele, Anasua Chatterjee, Saeed Fallahi, Geoffrey C Gardner, Michael J Manfra și Ferdinand Kuemmeth. Operații simultane într-o matrice bidimensională de qubiți singlet-triplet. PRX Quantum, 2 (4): 040306, 2021. 10.1103/​PRXQuantum.2.040306.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.040306

[9] Luca Petit, HGJ Eenink, M Russ, WIL Lawrie, NW Hendrickx, SGJ Philips, JS Clarke, LMK Vandersypen și M Veldhorst. Logica cuantică universală în qubiți de siliciu fierbinți. Nature, 580 (7803): 355–359, 2020. 10.1038/​s41586-020-2170-7.
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41586-020-2170-7

[10] Chih Heng Yang, RCC Leon, JCC Hwang, Andre Saraiva, Tuomo Tanttu, Wister Huang, J Camirand Lemyre, Kok Wai Chan, KY Tan, Fay E Hudson și colab. Funcționarea unei celule de unitate de procesor cuantic de siliciu peste un kelvin. Nature, 580 (7803): 350–354, 2020. 10.1038/​s41586-020-2171-6.
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41586-020-2171-6

[11] Leon C Camenzind, Simon Geyer, Andreas Fuhrer, Richard J Warburton, Dominik M Zumbühl și Andreas V Kuhlmann. Un qubit de rotație de gaură într-un tranzistor cu efect de câmp cu aripioare peste 4 kelvin. Nature Electronics, 5 (3): 178–183, 2022. 10.1038/​s41928-022-00722-0.
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41928-022-00722-0

[12] Ronald Hanson, Leo P Kouwenhoven, Jason R Petta, Seigo Tarucha și Lieven MK Vandersypen. Se rotește în puncte cuantice de câțiva electroni. Reviews of Modern Physics, 79 (4): 1217, 2007. 10.1103/​RevModPhys.79.1217.
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.79.1217

[13] Luca Petit, Maximilian Russ, Gertjan HGJ Eenink, William IL Lawrie, James S Clarke, Lieven MK Vandersypen și Menno Veldhorst. Proiectarea și integrarea rotațiilor cu un singur qubit și a porților de doi qubit în siliciu peste un kelvin. Communications Materials, 3 (1): 82, 2022. 10.1038/​s43246-022-00304-9.
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s43246-022-00304-9

[14] J Darulová, SJ Pauka, N Wiebe, KW Chan, GC Gardener, MJ Manfra, MC Cassidy și Matthias Troyer. Reglaj autonom și detectarea stării de încărcare a punctelor cuantice definite de poartă. Physical Review Applied, 13 (5): 054005, 2020. 10.1103/​PhysRevApplied.13.054005.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevApplied.13.054005

[15] H Moon, DT Lennon, J Kirkpatrick, NM van Esbroeck, LC Camenzind, Liuqi Yu, F Vigneau, DM Zumbühl, G Andrew D Briggs, MA Osborne și colab. Învățarea automată permite reglarea complet automată a unui dispozitiv cuantic mai rapid decât experții umani. Nature Communications, 11 (1): 1–10, 2020. 10.1038/​s41467-020-17835-9.
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41467-020-17835-9

[16] Brandon Severin, Dominic T Lennon, Leon C Camenzind, Florian Vigneau, F Fedele, D Jirovec, A Ballabio, D Chrastina, G Isella, M de Kruijf, et al. Reglarea inter-arhitecturii a dispozitivelor cuantice bazate pe silicon și SiGe utilizând învățarea automată. arXiv preprint arXiv:2107.12975, 2021. 10.48550/​arXiv.2107.12975.
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.2107.12975
arXiv: 2107.12975

[17] Timothy A Baart, Pieter T Eendebak, Christian Reichl, Werner Wegscheider și Lieven MK Vandersypen. Ajustarea automată de computer a punctelor cuantice duble semiconductoare în regimul cu un singur electron. Applied Physics Letters, 108 (21): 213104, 2016. 10.1063/​1.4952624.
https: / / doi.org/ 10.1063 / 1.4952624

[18] Sandesh S Kalantre, Justyna P Zwolak, Stephen Ragole, Xingyao Wu, Neil M Zimmerman, Michael D Stewart și Jacob M Taylor. Tehnici de învățare automată pentru recunoașterea stării și reglarea automată în puncte cuantice. npj Quantum Information, 5 (1): 1–10, 2019. 10.1038/​s41534-018-0118-7.
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41534-018-0118-7

[19] Justyna P Zwolak, Thomas McJunkin, Sandesh S Kalantre, JP Dodson, ER MacQuarrie, DE Savage, MG Lagally, SN Coppersmith, Mark A Eriksson și Jacob M Taylor. Autotuning in situ a dispozitivelor cu două puncte cu învățare automată. Revizuirea fizică aplicată, 13 (3): 034075, 2020. 10.1103/​PhysRevApplied.13.034075.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevApplied.13.034075

[20] V Nguyen, SB Orbell, Dominic T Lennon, Hyungil Moon, Florian Vigneau, Leon C Camenzind, Liuqi Yu, Dominik M Zumbühl, G Andrew D Briggs, Michael A Osborne și colab. Învățare prin consolidare profundă pentru măsurarea eficientă a dispozitivelor cuantice. npj Quantum Information, 7 (1): 1–9, 2021. 10.1038/​s41534-021-00434-x.
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41534-021-00434-x

[21] Justyna P Zwolak, Thomas McJunkin, Sandesh S Kalantre, Samuel F Neyens, ER MacQuarrie, Mark A Eriksson și Jacob M Taylor. Cadru bazat pe raze pentru identificarea stării în dispozitivele cu puncte cuantice. PRX Quantum, 2 (2): 020335, 2021. 10.1103/​PRXQuantum.2.020335.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.020335

[22] NM van Esbroeck, DT Lennon, H Moon, V Nguyen, F Vigneau, LC Camenzind, L Yu, DM Zumbühl, GAD Briggs, Dino Sejdinovic și colab. Reglarea fină a dispozitivului cuantic folosind învățarea prin încorporare nesupravegheată. New Journal of Physics, 22 (9): 095003, 2020. 10.1088/​1367-2630/​abb64c.
https://​/​doi.org/​10.1088/​1367-2630/​abb64c

[23] Julian D Teske, Simon Sebastian Humpohl, René Otten, Patrick Bethke, Pascal Cerfontaine, Jonas Dedden, Arne Ludwig, Andreas D Wieck și Hendrik Bluhm. O abordare de învățare automată pentru reglarea fină automată a qubiților de spin semiconductor. Applied Physics Letters, 114 (13): 133102, 2019. 10.1063/​1.5088412.
https: / / doi.org/ 10.1063 / 1.5088412

[24] CJ Van Diepen, Pieter T Eendebak, Bruno T Buijtendorp, Uditendu Mukhopadhyay, Takafumi Fujita, Christian Reichl, Werner Wegscheider și Lieven MK Vandersypen. Reglare automată a cuplării tunelului între puncte în puncte cuantice duble. Applied Physics Letters, 113 (3): 033101, 2018. 10.1063/​1.5031034.
https: / / doi.org/ 10.1063 / 1.5031034

[25] Tim Botzem, Michael D Shulman, Sandra Foletti, Shannon P Harvey, Oliver E Dial, Patrick Bethke, Pascal Cerfontaine, Robert PG McNeil, Diana Mahalu, Vladimir Umansky și colab. Metode de reglare pentru qubiții de spin semiconductor. Physical Review Applied, 10 (5): 054026, 2018. 10.1103/​PhysRevApplied.10.054026.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevApplied.10.054026

[26] David L Craig, Hyungil Moon, Federico Fedele, Dominic T Lennon, Barnaby van Straaten, Florian Vigneau, Leon C Camenzind, Dominik M Zumbühl, G Andrew D Briggs, Michael A Osborne, Dino Seijdinovic și Natalia Ares. Reducerea decalajului de realitate în dispozitivele cuantice cu învățarea automată conștientă de fizică. arXiv preprint arXiv:2111.11285, 2021. 10.48550/​arXiv.2111.11285.
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.2111.11285
arXiv: 2111.11285

[27] Stefanie Czischek, Victor Yon, Marc-Antoine Genest, Marc-Antoine Roux, Sophie Rochette, Julien Camirand Lemyre, Mathieu Moras, Michel Pioro-Ladrière, Dominique Drouin, Yann Beilliard și colab. Miniaturizarea rețelelor neuronale pentru reglarea automată a stării de încărcare în puncte cuantice. Machine Learning: Science and Technology, 3 (1): 015001, 2021. 10.1088/​2632-2153/​ac34db.
https://​/​doi.org/​10.1088/​2632-2153/​ac34db

[28] Renato Durrer, Benedikt Kratochwil, Jonne V Koski, Andreas J Landig, Christian Reichl, Werner Wegscheider, Thomas Ihn și Eliska Greplova. Ajustarea automată a punctelor cuantice duble în stări de încărcare specifice folosind rețele neuronale. Physical Review Applied, 13 (5): 054019, 2020. 10.1103/​PhysRevApplied.13.054019.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevApplied.13.054019

[29] Maxime Lapointe-Major, Olivier Germain, J Camirand Lemyre, Dany Lachance-Quirion, Sophie Rochette, F Camirand Lemyre și Michel Pioro-Ladrière. Algoritm pentru reglarea automată a unui punct cuantic în regimul cu un singur electron. Physical Review B, 102 (8): 085301, 2020. 10.1103/​PhysRevB.102.085301.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevB.102.085301

[30] Yuta Matsumoto, Takafumi Fujita, Arne Ludwig, Andreas D Wieck, Kazunori Komatani și Akira Oiwa. Clasificare robustă la zgomot a citirilor de spin de electroni cu un singur tir folosind o rețea neuronală profundă. npj Quantum Information, 7 (1): 1–7, 2021. 10.1038/​s41534-021-00470-7.
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41534-021-00470-7

[31] Jana Darulová, Matthias Troyer și Maja C Cassidy. Evaluarea datelor de antrenament sintetice și experimentale în învățarea automată supravegheată aplicată la detectarea stării de încărcare a punctelor cuantice. Învățare automată: știință și tehnologie, 2021. 10.1088/​2632-2153/​ac104c.
https://​/​doi.org/​10.1088/​2632-2153/​ac104c

[32] Simon Geyer, Leon C Camenzind, Lukas Czornomaz, Veeresh Deshpande, Andreas Fuhrer, Richard J Warburton, Dominik M Zumbühl și Andreas V Kuhlmann. Porți auto-aliniate pentru calculul cuantic de siliciu scalabil. Applied Physics Letters, 118 (10): 104004, 2021. 10.1063/​5.0036520.
https: / / doi.org/ 10.1063 / 5.0036520

[33] Franck HL Koppens, Joshua A Folk, Jeroen M Elzerman, Ronald Hanson, LH Willems Van Beveren, Ivo T Vink, Hans-Peter Tranitz, Werner Wegscheider, Leo P Kouwenhoven și Lieven MK Vandersypen. Controlul și detectarea amestecării singlet-triplet într-un câmp nuclear aleatoriu. Science, 309 (5739): 1346–1350, 2005. 10.1126/​science.1113719.
https: / / doi.org/ 10.1126 / science.1113719

[34] Matthias Brauns, Joost Ridderbos, Ang Li, Erik PAM Bakkers, Wilfred G Van Der Wiel și Floris A Zwanenburg. Blocarea anizotropă a spinării pauli în puncte cuantice ale găurii. Revista fizică B, 94 (4): 041411, 2016. 10.1103/​PhysRevB.94.041411.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevB.94.041411

[35] J Danon și Yu V Nazarov. Blocarea spinării Pauli în prezența unui cuplaj puternic spin-orbita. Revista fizică B, 80 (4): 041301, 2009. 10.1103/​PhysRevB.80.041301.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevB.80.041301

[36] S Nadj-Perge, SM Frolov, JWW Van Tilburg, J Danon, Yu V Nazarov, R Algra, EPAM Bakkers și LP Kouwenhoven. Dezlegarea efectelor spin-orbita și interacțiunile hiperfine asupra blocării spinului. Revista fizică B, 81 (20): 201305, 2010. 10.1103/​PhysRevB.81.201305.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevB.81.201305

[37] Ruoyu Li, Fay E Hudson, Andrew S Dzurak și Alexander R Hamilton. Pauli rotește blocarea găurilor grele într-un punct cuantic dublu de siliciu. Nano Letters, 15 (11): 7314–7318, 2015. 10.1021/​acs.nanolett.5b02561.
https://​/​doi.org/​10.1021/​acs.nanolett.5b02561

[38] FNM Froning, MJ Rančić, B Hetényi, S Bosco, MK Rehmann, Ang Li, Erik PAM Bakkers, Floris Arnoud Zwanenburg, Daniel Loss, DM Zumbühl și colab. Interacțiune puternică spin-orbită și renormalizarea factorului g a spinurilor găurii în puncte cuantice nanofir Ge/​Si. Physical Review Research, 3 (1): 013081, 2021. 10.1103/​PhysRevResearch.3.013081.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.3.013081

[39] TH Stoof și Yu V Nazarov. Tunnel rezonant dependent de timp prin două stări discrete. Physical Review B, 53 (3): 1050, 1996. 10.1103/​PhysRevB.53.1050.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevB.53.1050

[40] Kaiming He, Xiangyu Zhang, Shaoqing Ren și Jian Sun. Învățare reziduală profundă pentru recunoașterea imaginilor. În Proceedings of the IEEE Conference on computer vision and pattern recognition, paginile 770–778, 2016. 10.1109/​CVPR.2016.90.
https: / / doi.org/ 10.1109 / CVPR.2016.90

[41] Menținătorii și colaboratorii TorchVision. Torchvision: biblioteca de viziune computerizată a lui Pytorch. https://​/​github.com/​pytorch/​vision, 2016.
https://​/​github.com/​pytorch/​vision

[42] Yann LeCun, Léon Bottou, Yoshua Bengio și Patrick Haffner. Învățare bazată pe gradient aplicată recunoașterii documentelor. Proceedings of the IEEE, 86 (11): 2278–2324, 1998. 10.1109/​5.726791.
https: / / doi.org/ 10.1109 / 5.726791

[43] Diederik P Kingma și Jimmy Ba. Adam: O metodă de optimizare stocastică. arXiv preprint arXiv:1412.6980, 2014. 10.48550/​arXiv.1412.6980.
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.1412.6980
arXiv: 1412.6980

[44] Adam Paszke, Sam Gross, Francisco Massa, Adam Lerer, James Bradbury, Gregory Chanan, Trevor Killeen, Zeming Lin, Natalia Gimelshein, Luca Antiga, Alban Desmaison, Andreas Kopf, Edward Yang, Zachary DeVito, Martin Raison, Alykhan Tejani, Sasank Chilamkurthy , Benoit Steiner, Lu Fang, Junjie Bai și Soumith Chintala. PyTorch: un stil imperativ, bibliotecă de învățare profundă de înaltă performanță. În H. Wallach, H. Larochelle, A. Beygelzimer, F. d'Alché-Buc, E. Fox și R. Garnett, editori, Advances in Neural Information Processing Systems 32, paginile 8024–8035. Curran Associates, Inc., 2019. 10.48550/​arXiv.1912.01703.
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.1912.01703

Citat de

[1] Ludmila Szulakowska și Jun Dai, „Autotuning bayesian al simulatoarelor cuantice model Hubbard”, arXiv: 2210.03077, (2022).

Citatele de mai sus sunt din ADS SAO / NASA (ultima actualizare cu succes 2023-08-08 14:42:46). Lista poate fi incompletă, deoarece nu toți editorii furnizează date de citare adecvate și complete.

Nu a putut să aducă Date citate încrucișate în ultima încercare 2023-08-08 14:42:44: Nu s-au putut prelua date citate pentru 10.22331 / q-2023-08-08-1077 de la Crossref. Acest lucru este normal dacă DOI a fost înregistrat recent.

Timestamp-ul:

Mai mult de la Jurnalul cuantic