由电子自旋构成的三量子位计算平台 – 物理世界

韩国研究人员创建了一个能够同时运行多个基于自旋的量子位（qubit）的量子计算平台。 设计者： 裴有正, 朴秀贤, 安德烈亚斯·海因里希 和首尔基础科学研究所的同事们使用扫描隧道显微镜（STM）逐个原子地组装该系统。

虽然未来的量子计算机应该能够在某些任务上超越传统计算机，但当今新兴的量子处理器仍然太小且噪音太大，无法进行实际计算。 必须做更多的工作来创建可行的量子比特平台，该平台可以将信息保留足够长的时间，以使量子计算机可行。

量子位已经使用几种不同的技术开发出来，包括超级计算电路和捕获离子。 一些物理学家也热衷于利用单个电子的自旋来创建量子位，但这种量子位并不像某些量子位那么先进。 然而，这并不意味着基于自旋的量子位已经退出市场。

“目前，所有现有的量子计算平台都存在重大缺陷，因此必须研究新的方法，”海因里希解释道。

精密组装

为了创建可行的基于自旋的处理器，必须在同一平台上精确组装量子位、可靠地耦合在一起并以量子相干的方式运行。 根据首尔团队的说法，这是迄今为止研究人员一直未能解决的问题。

研究人员在 STM 的帮助下创建了他们的多量子位平台，这是在原子尺度上成像和操纵物质的强大工具。 当 STM 的导电尖端非常靠近样品表面时，电子能够在尖端和样品表面之间以量子力学方式隧道传输。

由于隧道效应的概率很大程度上取决于尖端与表面之间的距离，因此 STM 可以通过测量这些隧道电子的电流来绘制样品的纳米级形貌。 表面上的单个原子也可以通过尖端施加的纳米级力推动它们来操纵和组装。

海因里希表示，利用这些功能，该团队“展示了第一个具有原子级精度的量子比特平台”。 “它基于表面上的电子自旋，这些电子可以彼此以原子级精确的距离放置。”

传感器量子位

研究人员利用 STM 将他们的系统组装在氧化镁双层薄膜的原始表面上。 该系统包括一个“传感器”量子位，它是一个自旋 1/2 钛原子，位于 STM 尖端正下方。 尖端涂有铁原子，这意味着它可以用来施加局部磁场（见图）。

尖端的两侧是一对“远程”量子位——也是自旋 1/2 钛原子。 它们被放置在距传感器量子位精确的距离处，位于原子之间可能发生电子隧道的区域之外。

为了同时控制远程量子位和传感器量子位，该团队通过在附近放置铁原子来创建磁场梯度。 铁原子表现为单原子磁体，因为它们的自旋弛豫时间远远超过单个量子位的运行时间。

通过这种方式，每个铁原子都充当 STM 尖端的替代品，提供静态局部磁场来对齐每个远程量子位的自旋。 量子位的自旋态之间的转变是通过使用 STM 尖端向系统施加射频脉冲来完成的，这种技术称为电子自旋共振。

解决和操纵

该团队通过将量子位冷却到 0.4 K 来初始化它们，然后施加外部磁场使它们进入相同的自旋状态并将它们耦合在一起。 此后，传感器量子位的状态可靠地取决于两个远程量子位的状态，但仍然可以由 STM 尖端单独寻址和操纵。

总体结果是全新的量子位平台，允许多个量子位同时运行。 “我们的研究已经实现了具有良好量子相干性的单量子位、两个量子位和三个量子位门，”海因里希说。

他补充道，“该平台有其优点和缺点。 对于专业人士来说，它是原子级精确的，因此可以轻松复制。 缺点是量子相干性很好，但需要进一步改进。”

如果能够克服这些挑战，海因里希和同事们就会看到他们的系统有着光明的未来。

“我们相信这种方法可以相对容易地扩展到数十个电子量子位，”海因里希说。 “这些电子自旋也可以可控地与核自旋耦合，这可能实现有效的量子纠错并增加量子操作的可用希尔伯特空间。 我们刚刚触及了表面！”

该研究描述于 科学.

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• Sumber: https://physicsworld.com/a/three-qubit-computing-platform-is-made-from-electron-spins/