Platforma de calcul cu trei qubiți este făcută din rotiri de electroni

Republicat de Platon

Urmaritori: 0

Qubiți de spin a electronilor — Platformă cu mai mulți qubit: în această diagramă, un vârf STM acoperit cu fier (sus) operează qubitul de rotație al senzorului. De asemenea, sunt afișați qubiții de spin la distanță, care sunt aliniați de câmpurile magnetice ale atomilor de fier din apropiere. (Cu amabilitatea: Institute for Basic Science)

Cercetătorii din Coreea de Sud au creat o platformă de calcul cuantic care este capabilă să opereze simultan mai mulți biți cuantici bazați pe spin (qubiți). Proiectat de Yujeong Bae, Soo-hyon Phark, Andrew Heinrich și colegii de la Institutul pentru Științe de bază din Seul, sistemul este asamblat atom cu atom folosind un microscop cu tunel de scanare (STM).

În timp ce computerele cuantice ale viitorului ar trebui să poată depăși computerele convenționale la anumite sarcini, procesoarele cuantice de astăzi sunt încă prea mici și zgomotoase pentru a face calcule practice. Trebuie făcut mult mai mult pentru a crea platforme qubit viabile, care pot reține informații suficient de mult pentru ca computerele cuantice să fie viabile.

Qubiții au fost deja dezvoltați folosind mai multe tehnologii diferite, inclusiv circuite de supercalculare și ioni prinși. Unii fizicieni sunt, de asemenea, dornici să creeze qubiți folosind spin-urile electronilor individuali – dar astfel de qubiți nu sunt la fel de avansati ca unii dintre omologii lor. Cu toate acestea, asta nu înseamnă că qubiții bazați pe spin nu mai sunt în circulație.

„În acest moment, toate platformele existente pentru calculul cuantic au dezavantaje majore, așa că este imperativ să se investigheze noi abordări”, explică Heinrich.

Asamblare precisă

Pentru a crea un procesor viabil bazat pe spin, qubiții trebuie asamblați cu precizie, cuplati împreună în mod fiabil și operați într-o manieră coerentă cuantică, toate pe aceeași platformă. Acesta este ceva care până acum a scăpat de cercetători, până acum – potrivit echipei din Seul.

Cercetătorii și-au creat platforma multi-qubit cu ajutorul unui STM, care este un instrument puternic pentru imagistica și manipularea materiei la scară atomică. Când vârful conducător al unui STM este adus foarte aproape de suprafața probei, electronii sunt capabili să facă un tunel mecanic cuantic între vârf și suprafața probei.

Deoarece probabilitatea tunelului depinde în mare măsură de distanța dintre vârf și suprafață, un STM poate mapa topografia la scară nanometrică a probei prin măsurarea curentului acestor electroni de tunel. Atomii individuali de pe suprafață pot fi, de asemenea, manipulați și asamblați prin împingerea lor prin forțele la scară nanometrică aplicate de vârf.

Folosind aceste capacități, echipa a „demonstrat prima platformă qubit cu precizie la scară atomică”, potrivit Heinrich. „Se bazează pe rotiri de electroni pe suprafețe, care pot fi plasate la distanțe precise din punct de vedere atomic unul de celălalt.”

Senzor qubit

Folosind STM, cercetătorii și-au asamblat sistemul pe suprafața curată a unui film cu două straturi de oxid de magneziu. Sistemul include un qubit „senzor”, care este un atom de titan spin-1/2 care este situat direct sub vârful STM. Vârful este acoperit cu atomi de fier, ceea ce înseamnă că poate fi folosit pentru aplicarea unui câmp magnetic local (vezi figura).

De ambele părți ale vârfului sunt o pereche de qubiți „la distanță”, de asemenea, atomi de titan spin-1/2. Acestea sunt plasate la distanțe precise față de qubitul senzorului, în afara regiunii în care poate apărea tunelul de electroni între atomi.

Pentru a controla qubiții de la distanță simultan cu qubitul senzorului, echipa a creat un gradient de câmp magnetic prin plasarea atomilor de fier în apropiere. Atomii de fier se comportă ca magneți cu un singur atom, deoarece timpii lor de relaxare a spinării depășesc cu mult timpii de funcționare ai qubitilor individuali.

În acest fel, atomii de fier acționează fiecare ca un substitut pentru vârful STM, oferind un câmp magnetic static, local pentru alinierea spinurilor fiecărui qubit la distanță. Tranzițiile între stările de spin ale qubiților sunt realizate prin utilizarea vârfului STM pentru a aplica impulsuri de radiofrecvență sistemului - o tehnică numită rezonanță spin electron.

Adresat și manipulat

Echipa și-a inițializat qubiții răcindu-i la 0.4 K, apoi aplicând un câmp magnetic extern pentru a-i aduce în aceeași stare de spin și cuplându-i împreună. Ulterior, starea qubitului senzorului a depins în mod fiabil de stările ambilor qubiți la distanță, dar putea fi totuși abordată și manipulată individual de vârful STM.

Rezultatul general a fost o platformă de qubit complet nouă, care a permis operarea simultană a mai multor qubiți. „Studiul nostru a obținut porți un singur qubit, doi qubit și trei qubit cu o coerență cuantică bună”, spune Heinrich.

El adaugă că „platforma are argumente pro și contra. La pro, este precis atomic și, prin urmare, poate fi ușor duplicat. În dezavantaj, coerența cuantică este bună, dar trebuie îmbunătățită în continuare.”

Dacă aceste provocări pot fi depășite, Heinrich și colegii văd un viitor strălucit pentru sistemul lor.

„Credem că această abordare poate fi scalată relativ ușor la zeci de qubiți de electroni”, spune Heinrich. „Acei spini de electroni pot fi, de asemenea, cuplati controlabil cu spini nucleari, ceea ce ar putea permite corectarea eficientă a erorilor cuantice și ar putea crește spațiul Hilbert disponibil pentru operațiuni cuantice. Tocmai am zgâriat suprafața!”

Cercetarea este descrisă în Ştiinţă.