Трикубітна обчислювальна платформа створена зі спінів електронів – Physics World

Дослідники з Південної Кореї створили платформу квантових обчислень, яка здатна одночасно працювати з кількома спіновими квантовими бітами (кубітами). Спроектований Юджон Бе, Су Хьон Фарк, Ендрю Генріх і колеги з Інституту фундаментальної науки в Сеулі система збирається атом за атомом за допомогою скануючого тунельного мікроскопа (STM).

Хоча квантові комп’ютери майбутнього мають перевершувати звичайні комп’ютери в певних завданнях, сучасні квантові процесори все ще занадто малі та шумні, щоб виконувати практичні обчислення. Набагато більше необхідно зробити, щоб створити життєздатні платформи кубітів, які можуть зберігати інформацію достатньо довго, щоб квантові комп’ютери були життєздатними.

Кубіти вже були розроблені з використанням кількох різних технологій, включаючи суперкомп’ютерні схеми та захоплені іони. Деякі фізики також зацікавлені у створенні кубітів, використовуючи спіни окремих електронів, але такі кубіти не настільки просунуті, як деякі їхні аналоги. Однак це не означає, що спінові кубіти вийшли з роботи.

«На даний момент усі існуючі платформи для квантових обчислень мають серйозні недоліки, тому вкрай важливо досліджувати нові підходи», — пояснює Генріх.

Точна збірка

Щоб створити життєздатний спіновий процесор, кубіти повинні бути точно зібрані, надійно з’єднані разом і працювати квантово-когерентним чином, все на одній платформі. За словами дослідників із Сеула, це те, що до цих пір вислизало від дослідників.

Дослідники створили свою багатокубітну платформу за допомогою STM, який є потужним інструментом для зображення та маніпулювання матерією в атомних масштабах. Коли провідний наконечник СТМ наближається дуже близько до поверхні зразка, електрони можуть квантово-механічним шляхом тунелювати між наконечником і поверхнею зразка.

Оскільки ймовірність тунелювання сильно залежить від відстані між кінчиком і поверхнею, СТМ може відобразити нанорозмірну топографію зразка, вимірявши струм цих тунельних електронів. Окремими атомами на поверхні також можна маніпулювати та збирати їх, штовхаючи їх нанорозмірними силами, що застосовуються кінчиком.

За словами Генріха, використовуючи ці можливості, команда «продемонструвала першу платформу кубітів з точністю до атомного масштабу». «Це засновано на обертаннях електронів на поверхнях, які можуть бути розміщені на атомно точних відстанях одна від одної».

Кубіт датчика

Використовуючи STM, дослідники зібрали свою систему на незайманій поверхні двошарової плівки оксиду магнію. Система включає «сенсорний» кубіт, який є атомом титану зі спіном 1/2, який розташований безпосередньо під наконечником STM. Наконечник покритий атомами заліза, що означає, що його можна використовувати для застосування локального магнітного поля (див. малюнок).

По обидва боки від наконечника є пара «віддалених» кубітів – також атомів титану зі спіном 1/2. Вони розміщені на точних відстанях від кубіта датчика, поза областю, де може відбуватися тунелювання електронів між атомами.

Щоб керувати віддаленими кубітами одночасно з кубітом датчика, команда створила градієнт магнітного поля, розташувавши атоми заліза поблизу. Атоми заліза ведуть себе як одноатомні магніти, тому що час їх спінової релаксації значно перевищує час роботи окремих кубітів.

Таким чином, кожен з атомів заліза діє як замінник наконечника STM, створюючи статичне локальне магнітне поле для вирівнювання обертів кожного віддаленого кубіта. Переходи між спіновими станами кубітів здійснюються за допомогою наконечника STM для застосування радіочастотних імпульсів до системи – метод, який називається електронним спіновим резонансом.

Адресували і маніпулювали

Команда ініціалізувала свої кубіти, охолодивши їх до 0.4 К, а потім застосувавши зовнішнє магнітне поле, щоб привести їх у той самий стан обертання та з’єднати разом. Згодом стан кубіта датчика надійно залежав від станів обох віддалених кубітів, але все ще міг адресуватися та маніпулювати окремо за допомогою наконечника STM.

Загальним результатом стала абсолютно нова платформа кубітів, яка дозволяла одночасно працювати з декількома кубітами. «Наше дослідження дозволило отримати однокубітні, двокубітні та трикубітові вентилі з хорошою квантовою когерентністю», — каже Генріх.

Він додає, що «платформа має свої плюси і мінуси. Плюси: це атомарна точність, тому її можна легко скопіювати. Щодо мінусів, то квантова когерентність хороша, але потребує подальшого вдосконалення».

Якщо ці проблеми вдасться подолати, Генріх і його колеги бачать світле майбутнє для своєї системи.

«Ми вважаємо, що цей підхід можна відносно легко масштабувати до десятків електронних кубітів», — говорить Генріх. «Ці електронні спіни також можуть бути керовано пов’язані з ядерними спінами, що може забезпечити ефективне квантове виправлення помилок і збільшити доступний Гільбертовий простір для квантових операцій. Ми тільки подряпали поверхню!»

Дослідження описано в наука.

• Розповсюдження контенту та PR на основі SEO. Отримайте посилення сьогодні.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Додайте собі сили. Доступ тут.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Розширення знань. Доступ тут.
• ПлатонЕСГ. вуглець, CleanTech, Енергія, Навколишнє середовище, Сонячна, Поводження з відходами. Доступ тут.
• PlatoHealth. Розвідка про біотехнології та клінічні випробування. Доступ тут.
• джерело: https://physicsworld.com/a/three-qubit-computing-platform-is-made-from-electron-spins/