Виявлення спінової блокади Паулі за допомогою глибокого навчання

Виявлення спінової блокади Паулі за допомогою глибокого навчання

Йонас Шуфф1, Домінік Т. Леннон1, Саймон Гейер2, Девід Л. Крейг1, Федеріко Феделе1, Флоріан Віньо1, Леон К. Камензінд2, Андреас В. Кульманн2, Г. Ендрю Д. Бріггс1, Домінік М. Зумбюль2, Діно Сейдіновіч3 та Наталія Арес4

1Відділ матеріалів, Оксфордський університет, Оксфорд OX1 3PH, Великобританія
2Факультет фізики Базельського університету, 4056 Базель, Швейцарія
3Школа комп’ютерних і математичних наук і AIML, Університет Аделаїди, SA 5005, Австралія
4Департамент інженерних наук, Оксфордський університет, Оксфорд OX1 3PJ, Великобританія

Вам цей документ цікавий чи ви хочете обговорити? Скайте або залиште коментар на SciRate.

абстрактний

Спінову блокаду Паулі (PSB) можна використовувати як чудовий ресурс для ініціалізації та зчитування спінових кубітів навіть за підвищених температур, але її може бути важко ідентифікувати. Ми представляємо алгоритм машинного навчання, здатний автоматично ідентифікувати PSB за допомогою вимірювань переносу заряду. Дефіцит даних PSB можна уникнути шляхом навчання алгоритму моделюванням даних і використання перевірки між пристроями. Ми демонструємо наш підхід на кремнієвому польовому транзисторі та повідомляємо про точність 96% на різних тестових пристроях, що свідчить про стійкість підходу до варіативності пристрою. Очікується, що наш алгоритм, важливий крок для реалізації повністю автоматичного налаштування кубіта, можна буде використовувати на всіх типах пристроїв із квантовою точкою.

Ми розробили алгоритм машинного навчання для автоматичного виявлення невловимого ефекту, пов’язаного з роботою пристроїв, які наразі з’являються серед бажаних кандидатів на архітектуру для квантових технологій, напівпровідникових кубітів. Це важливий крок до масштабованих квантових обчислень за допомогою напівпровідникових схем. Ефект спінової блокади Паулі (PSB) можна використовувати для ініціювання та зчитування кубітів, що є фундаментальною вимогою квантових обчислень. Однак виявлення PSB є складним завданням через його рідкість і чутливість до відхилень матеріалів і дефектів виготовлення. Щоб подолати це, ми використали симулятор, натхненний фізикою, і метод під назвою перевірка між пристроями, навчаючи алгоритм на даних з одного пристрою та тестуючи його на іншому. Продемонстрований на кремнієвому польовому транзисторі, алгоритм досяг 96% точності в ідентифікації PSB на різних тестових пристроях. Цікаво, що дослідження показало, що змодельовані дані є більш важливими для навчання алгоритму, ніж дані реального світу, головним чином через обмежену доступність вичерпних експериментальних даних. Це дослідження прискорює реалізацію практичних, масштабованих квантових комп’ютерів.

► Дані BibTeX

► Список літератури

[1] Деніел Лосс і Девід Ді Вінченцо. Квантові обчислення з квантовими точками. 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 і M Veldhorst. Інтерфейсні спінові кубіти в квантових точках і донорах – гарячі, щільні та когерентні. npj Квантова інформація, 3 (1): 1–10, 2017. 10.1038/​s41534-017-0038-y.
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41534-017-0038-y

[3] Тойво Хенсгенс, Такафумі Фуджіта, Лоренс Янссен, Сяо Лі, Сі Джей Ван Діпен, Крістіан Райхль, Вернер Вегшайдер, С. Дас Сарма та Лівен МК Вандерсипен. Квантова симуляція моделі Фермі–Хаббарда з використанням масиву напівпровідникових квантових точок. Nature, 548 (7665): 70–73, 2017. 10.1038/​nature23022.
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature23022

[4] Менно Велдхорст, Ч. Янг, Дж. К. С. Хванг, В. Хуанг, Дж. П. Дехоллайн, Дж. Т. Мухонен, С. Сіммонс, А. Лаухт, Ф. Е. Хадсон, Кохей М. Іто та ін. Двокубітовий логічний вентиль у кремнії. Nature, 526 (7573): 410–414, 2015. 10.1038/​nature15263.
https: / / doi.org/ 10.1038 / nature15263

[5] Паскаль Серфонтен, Тім Ботзем, Джуліан Ріцманн, Саймон Себастьян Хамполь, Арне Людвіг, Дітер Шух, Домінік Бужар, Андреас Д Вік і Хендрік Блюм. Замкнене керування синглет-триплетним спіновим кубітом на основі GaAs із точністю затвора 99.5% і низьким витоком. Nature Communications, 11 (1): 1–6, 2020. 10.1038/​s41467-020-17865-3.
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41467-020-17865-3

[6] Акіто Ноірі, Кента Такеда, Такаші Накадзіма, Такаші Кобаяші, Амір Саммак, Джордано Скаппуччі та Сейго Таруча. Швидкий універсальний квантовий вентиль вище порогу відмовостійкості в кремнії. 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 та ін. Універсальне керування шестикубітним квантовим процесором у кремнії. Nature, 609 (7929): 919–924, 2022. 10.1038/​s41586-022-05117-x.
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41586-022-05117-x

[8] Федеріко Феделе, Анасуа Чаттерджі, Саїд Фаллахі, Джеффрі Гарднер, Майкл Дж. Манфра та Фердинанд Куеммет. Одночасні операції в двовимірному масиві синглет-триплетних кубітів. PRX Quantum, 2 (4): 040306, 2021. 10.1103/PRXQuantum.2.040306.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.040306

[9] Лука Петіт, Х. Дж. Енінк, М. Расс, УІЛ Лоурі, Н. В. Хендріккс, С. Дж. Філіпс, Дж. С. Кларк, Л. М. К. Вандерсипен і М. Велдгорст. Універсальна квантова логіка в гарячих кремнієвих кубітах. Nature, 580 (7803): 355–359, 2020. 10.1038/​s41586-020-2170-7.
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41586-020-2170-7

[10] Чі Хенг Янг, RCC Леон, JCC Хван, Андре Сарайва, Туомо Танту, Вістер Хуанг, Дж. Каміранд Лемір, Кок Вай Чан, К. Й. Тан, Фей Е. Хадсон та ін. Робота кремнієвої клітинки квантового процесора вище одного кельвіна. Nature, 580 (7803): 350–354, 2020. 10.1038/​s41586-020-2171-6.
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41586-020-2171-6

[11] Леон К. Камензінд, Саймон Гейер, Андреас Фюрер, Річард Дж. Уорбертон, Домінік М. Зумбюль та Андреас V Кульман. Кубіт діркового обертання в польовому транзисторі з реберами вище 4 кельвінів. Nature Electronics, 5 (3): 178–183, 2022. 10.1038/​s41928-022-00722-0.
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41928-022-00722-0

[12] Рональд Хансон, Лео П. Коувенховен, Джейсон Р. Петта, Сейго Таруча та Лівен М. К. Вандерсипен. Спіни в квантових точках з кількома електронами. Огляди сучасної фізики, 79 (4): 1217, 2007. 10.1103/​RevModPhys.79.1217.
https: / / doi.org/ 10.1103 / RevModPhys.79.1217

[13] Лука Петіт, Максиміліан Расс, Гертян Х. Дж. Енінк, Вільям І. Л. Лоурі, Джеймс С. Кларк, Лівен М. К. Вандерсипен і Менно Велдгорст. Розробка та інтеграція однокубітових обертань і двокубітових затворів у кремнії вище одного кельвіна. Комунікаційні матеріали, 3 (1): 82, 2022. 10.1038/​s43246-022-00304-9.
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s43246-022-00304-9

[14] Дж. Дарулова, С. Дж. Паука, Н. Вібе, К. В. Чан, Дж. К. Гарденер, М. Дж. Манфра, М. С. Кессіді та Матіас Троєр. Автономне налаштування та визначення стану заряду квантових точок, визначених затвором. 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 та ін. Машинне навчання дозволяє повністю автоматично налаштувати квантовий пристрій швидше, ніж люди-експерти. Nature Communications, 11 (1): 1–10, 2020. 10.1038/​s41467-020-17835-9.
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41467-020-17835-9

[16] Брендон Северін, Домінік Т. Леннон, Леон К. Камензінд, Флоріан Віньо, Ф. Феделе, Д. Жировец, А. Баллабіо, Д. Храстіна, Г. Айзелла, М. де Крюйф та ін. Крос-архітектурне налаштування квантових пристроїв на основі кремнію та SiGe за допомогою машинного навчання. Препринт arXiv arXiv:2107.12975, 2021. 10.48550/​arXiv.2107.12975.
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.2107.12975
arXiv: 2107.12975

[17] Тімоті А. Баарт, Пітер Т. Ендебак, Крістіан Райхль, Вернер Вегшайдер і Лівен М. К. Вандерсипен. Комп’ютерне автоматизоване налаштування подвійних квантових точок напівпровідника в одноелектронний режим. Applied Physics Letters, 108 (21): 213104, 2016. 10.1063/​1.4952624.
https: / / doi.org/ 10.1063 / 1.4952624

[18] Сандеш С. Калантре, Юстина П. Зволак, Стівен Рагол, Сін’яо Ву, Ніл М. Циммерман, Майкл Д. Стюарт і Джейкоб М. Тейлор. Методи машинного навчання для розпізнавання стану та автоналаштування в квантових точках. npj Квантова інформація, 5 (1): 1–10, 2019. 10.1038/​s41534-018-0118-7.
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41534-018-0118-7

[19] Юстина П. Зволак, Томас МакДжункін, Сандеш С. Калантре, Дж. П. Додсон, Е. Р. Маккуоррі, Д. Е. Севідж, М. Г. Лагаллі, С. Н. Копперсміт, Марк А. Ерікссон і Джейкоб М. Тейлор. Автоматичне налаштування подвійних точкових пристроїв на місці за допомогою машинного навчання. Physical Review Applied, 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 та ін. Глибоке навчання з підкріпленням для ефективного вимірювання квантових пристроїв. npj Квантова інформація, 7 (1): 1–9, 2021. 10.1038/​s41534-021-00434-x.
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41534-021-00434-x

[21] Юстина П. Зволак, Томас МакДжункін, Сандеш С. Калантре, Семюел Ф. Неєнс, Е. Р. Маккуоррі, Марк А. Ерікссон і Джейкоб М. Тейлор. Структура на основі променів для ідентифікації стану в пристроях на квантових точках. PRX Quantum, 2 (2): 020335, 2021. 10.1103/PRXQuantum.2.020335.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PRXQuantum.2.020335

[22] Н. М. ван Есбрук, Д. Т. Леннон, Х. Мун, В. Нгуєн, Ф. Віньо, Л. С. Камензінд, Л. Ю., Д. М. Зумбюль, Г. Д. Бріггс, Діно Сейдіновіч та ін. Тонка настройка квантового пристрою за допомогою неконтрольованого вбудовування. New Journal of Physics, 22 (9): 095003, 2020. 10.1088/​1367-2630/​abb64c.
https://​/​doi.org/​10.1088/​1367-2630/​abb64c

[23] Джуліан Д Теске, Саймон Себастьян Хамполь, Рене Оттен, Патрік Бетке, Паскаль Серфонтен, Йонас Дедден, Арне Людвіг, Андреас Д Вік і Хендрік Блюм. Підхід до машинного навчання для автоматизованого тонкого налаштування напівпровідникових спінових кубітів. 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, and Lieven MK Vandersypen. Автоматизоване налаштування міжточкового тунельного зв’язку в подвійних квантових точках. Applied Physics Letters, 113 (3): 033101, 2018. 10.1063/​1.5031034.
https: / / doi.org/ 10.1063 / 1.5031034

[25] Тім Ботзем, Майкл Д. Шульман, Сандра Фолетті, Шеннон П. Харві, Олівер Е. Діал, Патрік Бетке, Паскаль Серфонтейн, Роберт П. Г. Макнейл, Діана Махалу, Володимир Уманський та ін. Методи налаштування напівпровідникових спінових кубітів. Physical Review Applied, 10 (5): 054026, 2018. 10.1103/​PhysRevApplied.10.054026.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevApplied.10.054026

[26] Девід Л. Крейг, Хюнгіл Мун, Федеріко Феделе, Домінік Т. Леннон, Барнабі ван Стратен, Флоріан Віньо, Леон К. Камензінд, Домінік М. Зумбюль, Г. Ендрю Д. Бріггс, Майкл А. Осборн, Діно Сейдіновіч і Наталія Арес. Подолання розриву реальності в квантових пристроях за допомогою машинного навчання з урахуванням фізики. Препринт arXiv arXiv:2111.11285, 2021. 10.48550/​arXiv.2111.11285.
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.2111.11285
arXiv: 2111.11285

[27] Штефані Чишек, Віктор Йон, Марк-Антуан Женест, Марк-Антуан Ру, Софі Рошетт, Жюльєн Каміран Лемір, Матьє Морас, Мішель Піоро-Ладрьєр, Домінік Друен, Ян Бейяр та ін. Мініатюризація нейронних мереж для автоналаштування стану заряду в квантових точках. Машинне навчання: Наука та технології, 3 (1): 015001, 2021. 10.1088/​2632-2153/​ac34db.
https://​/​doi.org/​10.1088/​2632-2153/​ac34db

[28] Ренато Дюррер, Бенедикт Кратохвіль, Йонне V Коскі, Андреас Дж. Ландіг, Крістіан Райхль, Вернер Вегшайдер, Томас Ін та Еліска Греплова. Автоматизоване налаштування подвійних квантових точок на певні зарядові стани за допомогою нейронних мереж. Physical Review Applied, 13 (5): 054019, 2020. 10.1103/​PhysRevApplied.13.054019.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevApplied.13.054019

[29] Максим Лапуант-Майор, Олів’є Жермен, Дж. Каміран Лемір, Дані Лашанс-Куірон, Софі Рошетт, Ф. Каміран Лемір і Мішель Піоро-Ладр’єр. Алгоритм автоматичного налаштування квантової точки в одноелектронний режим. Physical Review B, 102 (8): 085301, 2020. 10.1103/​PhysRevB.102.085301.
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevB.102.085301

[30] Юта Мацумото, Такафумі Фудзіта, Арне Людвіг, Андреас Д Вік, Казунорі Коматані та Акіра Ойва. Шумостійка класифікація одноразових зчитувань спіну електрона за допомогою глибокої нейронної мережі. npj Квантова інформація, 7 (1): 1–7, 2021. 10.1038/​s41534-021-00470-7.
https:/​/​doi.org/​10.1038/​s41534-021-00470-7

[31] Яна Дарулова, Маттіас Тройєр і Майя Кессіді. Оцінка даних синтетичного та експериментального навчання в керованому машинному навчанні, застосованому для виявлення зарядового стану квантових точок. Машинне навчання: Наука та технології, 2021. 10.1088/​2632-2153/​ac104c.
https://​/​doi.org/​10.1088/​2632-2153/​ac104c

[32] Саймон Гейєр, Леон К. Камензінд, Лукас Чорномаз, Вереш Дешпанде, Андреас Фюрер, Річард Дж. Уорбертон, Домінік М. Зумбюль та Андреас В. Кульманн. Самовирівнювані вентилі для масштабованих кремнієвих квантових обчислень. Applied Physics Letters, 118 (10): 104004, 2021. 10.1063/​5.0036520.
https: / / doi.org/ 10.1063 / 5.0036520

[33] Франк Х. Л. Коппенс, Джошуа А. Фолк, Єрун М. Елзерман, Рональд Хансон, Л. Х. Віллемс Ван Беверен, Іво Т. Вінк, Ганс-Петер Траніц, Вернер Вегшайдер, Лео П. Коувенховен і Лівен М. К. Вандерсипен. Контроль і виявлення синглет-триплетного змішування у випадковому ядерному полі. Наука, 309 (5739): 1346–1350, 2005. 10.1126/​science.1113719.
https: / / doi.org/ 10.1126 / science.1113719

[34] Маттіас Браунс, Йост Ріддербос, Енг Лі, Ерік ПЕМ Баккерс, Вілфред Г Ван Дер Віл і Флоріс А Званенбург. Анізотропна спінова блокада Паулі в діркових квантових точках. Physical Review B, 94 (4): 041411, 2016. 10.1103/​PhysRevB.94.041411.
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevB.94.041411

[35] Дж Данон і Ю В Назаров. Спінова блокада Паулі за наявності сильного спін-орбітального зв’язку. Physical Review 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 та LP Kouwenhoven. Розмежування ефектів спін-орбітальних і надтонких взаємодій на спінову блокаду. Physical Review B, 81 (20): 201305, 2010. 10.1103/​PhysRevB.81.201305.
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevB.81.201305

[37] Руою Лі, Фей Хадсон, Ендрю С. Дзурак і Олександр Р. Гамільтон. Спінова блокада Паулі важких дірок у кремнієвій подвійній квантовій точці. 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 та ін. Сильна спін-орбітальна взаємодія та g-фактор перенормування спінів дірок у квантових точках нанодроту Ge/Si. Physical Review Research, 3 (1): 013081, 2021. 10.1103/​PhysRevResearch.3.013081.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevResearch.3.013081

[39] Т. Г. Стоф і Ю. В. Назаров. Залежне від часу резонансне тунелювання через два дискретних стани. Physical Review B, 53 (3): 1050, 1996. 10.1103/​PhysRevB.53.1050.
https://​/​doi.org/​10.1103/​PhysRevB.53.1050

[40] Каймін Хе, Сян'ю Чжан, Шаоцін Рен і Цзянь Сунь. Глибоке залишкове навчання для розпізнавання зображень. У матеріалах конференції IEEE з комп’ютерного зору та розпізнавання образів, сторінки 770–778, 2016 р. 10.1109/​CVPR.2016.90.
https://​/​doi.org/​10.1109/​CVPR.2016.90

[41] Супроводжувачі та учасники TorchVision. Torchvision: бібліотека комп’ютерного зору Pytorch. https://​/​github.com/​pytorch/​vision, 2016.
https://​/​github.com/​pytorch/​vision

[42] Янн ЛеКун, Леон Ботту, Йошуа Бенгіо та Патрік Гаффнер. Градієнтне навчання, застосоване до розпізнавання документів. Праці IEEE, 86 (11): 2278–2324, 1998. 10.1109/​5.726791.
https: / / doi.org/ 10.1109 / 5.726791

[43] Дідерік П. Кінгма та Джиммі Ба. Адам: Метод стохастичної оптимізації. Препринт arXiv arXiv:1412.6980, 2014. 10.48550/​arXiv.1412.6980.
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.1412.6980
arXiv: 1412.6980

[44] Адам Паске, Сем Гросс, Франсіско Масса, Адам Лерер, Джеймс Бредбері, Грегорі Ченен, Тревор Кіллін, Земінг Лін, Наталія Гімельшейн, Лука Антіга, Албан Десмайсон, Андреас Копф, Едвард Янг, Закарі Де Віто, Мартін Райсон, Аліхан Теджані, Сасанк Чіламкурті , Бенуа Штайнер, Лу Фанг, Цзюньцзе Бай і Соміт Чінтала. PyTorch: імперативний стиль, високопродуктивна бібліотека глибокого навчання. У H. Wallach, H. Larochelle, A. Beygelzimer, F. d'Alché-Buc, E. Fox і R. Garnett, редактори, Досягнення в нейронних системах обробки інформації 32, сторінки 8024–8035. Curran Associates, Inc., 2019. 10.48550/​arXiv.1912.01703.
https://​/​doi.org/​10.48550/​arXiv.1912.01703

Цитується

[1] Людмила Шулаковська та Джун Дай, «Байєсівське автоналаштування квантових симуляторів моделі Хаббарда», arXiv: 2210.03077, (2022).

Вищезазначені цитати від SAO / NASA ADS (останнє оновлення успішно 2023-08-08 14:42:46). Список може бути неповним, оскільки не всі видавці надають відповідні та повні дані про цитування.

Не вдалося отримати Перехресне посилання, наведене за даними під час останньої спроби 2023-08-08 14:42:44: Не вдалося отримати цитовані дані для 10.22331/q-2023-08-08-1077 з Crossref. Це нормально, якщо DOI був зареєстрований нещодавно.

Часова мітка:

Більше від Квантовий журнал