Трехкубитная вычислительная платформа сделана из спинов электронов

Переиздано Платоном

Читают: 0

Электронные спиновые кубиты — Платформа с несколькими кубитами: на этой диаграмме наконечник СТМ, покрытый железом (вверху), управляет спиновым кубитом датчика. Также показаны удаленные спиновые кубиты, которые выровнены магнитными полями близлежащих атомов железа. (Фото предоставлено: Институт фундаментальных наук)

Платформа квантовых вычислений, способная одновременно работать с несколькими квантовыми битами (кубитами) на основе спина, была создана исследователями из Южной Кореи. Разработано Юджон Бэ, Су Хён Фарк, Андреас Генрих и его коллеги из Института фундаментальных наук в Сеуле система собирается атом за атомом с помощью сканирующего туннельного микроскопа (СТМ).

Хотя квантовые компьютеры будущего должны быть способны превосходить обычные компьютеры при выполнении определенных задач, современные квантовые процессоры все еще слишком малы и шумны, чтобы выполнять практические вычисления. Необходимо сделать гораздо больше для создания жизнеспособных кубитовых платформ, которые смогут хранить информацию достаточно долго, чтобы квантовые компьютеры стали жизнеспособными.

Кубиты уже были разработаны с использованием нескольких различных технологий, включая суперкомпьютерные схемы и захваченные ионы. Некоторые физики также заинтересованы в создании кубитов, используя спины отдельных электронов, но такие кубиты не так продвинуты, как некоторые из их аналогов. Однако это не означает, что кубиты на основе спина вышли из строя.

«На данный момент все существующие платформы для квантовых вычислений имеют серьезные недостатки, поэтому крайне важно исследовать новые подходы», — объясняет Генрих.

Точная сборка

Чтобы создать жизнеспособный спиновый процессор, кубиты должны быть точно собраны, надежно соединены вместе и работать квантово-когерентным образом — и все это на одной платформе. По словам сеульской команды, это то, что до сих пор ускользало от исследователей.

Исследователи создали свою многокубитную платформу с помощью СТМ, который является мощным инструментом для визуализации материи и управления ею в атомных масштабах. Когда проводящий наконечник СТМ подносится очень близко к поверхности образца, электроны могут квантово-механически туннелировать между иглой и поверхностью образца.

Поскольку вероятность туннелирования сильно зависит от расстояния между иглой и поверхностью, СТМ может составить карту наномасштабной топографии образца, измеряя ток этих туннелирующих электронов. Отдельными атомами на поверхности также можно манипулировать и собирать, перемещая их с помощью наномасштабных сил, приложенных к наконечнику.

По словам Генриха, используя эти возможности, команда «продемонстрировала первую кубитную платформу с точностью атомного масштаба». «Он основан на спинах электронов на поверхностях, которые можно расположить на атомарно точных расстояниях друг от друга».

Сенсорный кубит

Используя СТМ, исследователи собрали свою систему на чистой поверхности двухслойной пленки оксида магния. Система включает в себя «сенсорный» кубит, представляющий собой атом титана со спином 1/2, расположенный непосредственно под иглой СТМ. Наконечник покрыт атомами железа, что означает, что его можно использовать для приложения локального магнитного поля (см. рисунок).

По обе стороны от кончика находится пара «удалённых» кубитов – также атомов титана со спином 1/2. Они расположены на точном расстоянии от сенсорного кубита, за пределами области, где может происходить туннелирование электронов между атомами.

Чтобы управлять удаленными кубитами одновременно с сенсорным кубитом, команда создала градиент магнитного поля, разместив рядом атомы железа. Атомы железа ведут себя как одноатомные магниты, поскольку время их спиновой релаксации намного превышает время работы отдельных кубитов.

Таким образом, каждый атом железа действует как заменитель иглы СТМ, создавая статическое локальное магнитное поле для выравнивания спинов каждого удаленного кубита. Переходы между спиновыми состояниями кубитов осуществляются с помощью иглы СТМ для подачи на систему радиочастотных импульсов — метод, называемый электронным спиновым резонансом.

Адресовано и манипулируется

Команда инициализировала свои кубиты, охладив их до 0.4 К, затем применив внешнее магнитное поле, чтобы привести их в одинаковое спиновое состояние и соединить их вместе. После этого состояние сенсорного кубита надежно зависело от состояний обоих удаленных кубитов, но по-прежнему могло быть адресовано и манипулировано индивидуально с помощью наконечника STM.

Общим результатом стала совершенно новая платформа кубитов, которая позволяла использовать несколько кубитов одновременно. «Наше исследование позволило достичь однокубитных, двухкубитных и трехкубитных вентилей с хорошей квантовой когерентностью», — говорит Генрих.

Он добавляет, что «у этой платформы есть свои плюсы и минусы. Плюсы: он атомарно точен и, следовательно, его можно легко дублировать. Что касается минусов, то квантовая когерентность хорошая, но ее необходимо улучшать».

Если эти проблемы удастся преодолеть, Генрих и его коллеги видят блестящее будущее для своей системы.

«Мы считаем, что этот подход можно относительно легко масштабировать до десятков электронных кубитов», — говорит Генрих. «Эти спины электронов также можно контролируемо связать со спинами ядер, что может обеспечить эффективную квантовую коррекцию ошибок и увеличить доступное гильбертово пространство для квантовых операций. Мы только что прикоснулись к поверхности!»

Исследование описано в Наука.