أسرع وأكثر دقة: نظام هجين من البتات غير المتجانسة

تُولد بعض الأفكار الزاهية وتموت بسرعة بسبب التعقيد أو التكلفة أو حتى التنفيذ غير الضروري. أسماك القرش القاتلة ذات التركيبات الليزرية على رأسها - تبدو رائعة جدًا ، معقدة للغاية ومثيرة للسخرية بشكل لا يصدق. ومع ذلك ، فإن بعض الأفكار في تنفيذها تعد إن لم تكن "جبال ذهبية" ، ثم على الأقل قدرا من الذهب. ينطبق هذا أيضًا على أجهزة الكمبيوتر الكمومية ، التي تعد بأن تكون قوية جدًا وسريعة للغاية وفعالة للغاية في استهلاك الطاقة. يبدو مغريا ، أليس كذلك؟ الكثير من العلماء يفكرون بنفس الطريقة. يتطلب تنفيذ الحوسبة الكمومية حل العديد من المشكلات. واليوم سوف نتعرف على دراسة قرر العلماء خلالها تحسين مؤشرات السرعة من خلال إنشاء ما يسمى بالكبت الهجين. ما هو عليه ، ما الذي يتكون منه وكيف يعمل ، نتعلم من تقرير المجموعة البحثية. دعنا نذهب.

أساس الدراسة

لتوضيح الأمر للجميع ، يركز العلماء بشكل أساسي على العديد من الجوانب التي تسبق دراستهم. أولاً ، هذه بتات تدور بمفردها في النقاط الكمومية لأشباه الموصلات ، والتي يمكن أن توفر مستوى لا يصدق من الدقة لبوابات الكم الواحد التي يصل طولها إلى 99.99٪. ثانياً ، هذه بوابات ثنائية الكابت مع زمن تماسك طويل.

تعتبر البوابة الكمومية * عنصرًا منطقيًا يحول حالة الإدخال من الكوابت إلى حالة المخرجات وفقًا لقانون معين.

المشكلة هي أن عملية التهيئة والقراءة الفعلية للبتات تسير بترتيب أبطأ من عملية التحكم. وهذا يؤثر سلبا للغاية على تنفيذ البروتوكولات القائمة على القياسات. وتشمل هذه تصحيح الخطأ.

لكن هذا يبدو بالفعل محبطًا ، لكن ليس بالنسبة للباحثين. يلاحظون أن qubit-triplet qubit مضمن في فضاء فرعي ثنائي يمكن أن يكون في كل من الدقة العالية والسرعة العالية. هذه العناصر هي أساس النظام الهجين الذي تمكن العلماء من خلاله من تحقيق البوابة الكمومية للمرحلة الخاضعة للرقابة بسرعة 5.5 نانو ثانية ، وهو أسرع بعدة مرات من وقت التخلص التدريجي.

Dephasing * هي آلية لاستخراج السمات الكلاسيكية من الأنظمة الكمومية. يشير إلى عملية التخفيف من تماسك نظام الكم.

إن التفاصيل الرئيسية للنظام الهجين (CPHASE) ، إذا جاز التعبير ، هي نوعان من وحدات البت ، كل منها له مميزاته وعيوبه: فقدان-ديفينسينزو qubits (يشار إليها فيما يلي بـ LD) و qubits ثلاثية ثلاثية (المشار إليها فيما يلي بـ ST).

في بتات LD ، تكون البوابة الكمومية ثنائية البتات سريعة إلى حد ما ، حيث إنها تركز على عمليات التبادل بين الدورات الدورانية المجاورة. لكن وحدات البت ST تكون أبطأ بكثير ، حيث إنها محدودة بسبب اقتران ثنائي القطب ضعيف.

في عمليات التهيئة والقراءة ، يتغير الوضع بشكل جذري. تصبح وحدات البت LD أبطأ بسبب النفق الانتقائي الدوران. و STS أسرع بكثير بسبب مبدأ باولي.

وبالتالي ، لدينا نوعان من البتات التي تُظهر نفسها تمامًا في عمليات معينة. إذا قمت بدمج ميزتها في نظام هجين واحد ، يمكنك الحصول على حسابات كمية أسرع وأكثر دقة. ولهذا من الضروري إنشاء واجهة ربط بينهما ، وهو ما فعله العلماء في أبحاثهم. دعونا معرفة مدى نجاح عملهم.

نتائج البحوث


الصورة رقم 1

في الشكل 1 أ ، نرى كيف تم تطبيق LD و ST qubits في نقطة كمية ثلاثية (TQD). تتشكل LD qubit في النقطة اليسرى ، وتقع ST في الطرفين الآخرين.

لتحقيق سيطرة متسقة ورنانة على LD qubit ، أضاف العلماء مغنطيس دقيق بجانب TQD. تم تحقيق ذلك من خلال رنين دوران ثنائي القطب الكهربائي (EDSR) ، وهي طريقة للتحكم في اللحظات المغناطيسية في النظام من خلال التأثيرات الميكانيكية الكمومية مثل اقتران مدار الدوران.

كما أتاح زيادة الفرق في طاقة زيمان بين النقطتين المركزية واليمينية مقارنة بتفاعل التبادل بينهما.

زيمان الطاقة * هي الطاقة الكامنة الخارجية يدور في مجال مغناطيسي.

وبالتالي ، فإن eigenstate من ST qubit في هذه النقاط يصبح | ↑ ↓⟩ و | ↓ ↑⟩ ، بدلا من القميص | S⟩ وثلاثي | T⟩. بعد ذلك ، تم استخدام مجال مغناطيسي خارجي بقيمة 3.166 T (تسلا) ، مما مكن من فصل حالات LD qubit عن طريق طاقة Zeeman وفصل الحالات الثلاثية المستقطبة | ↑ ↓⟩ و | b ↑⟩ ST qubits عن الحالات الحسابية.


مخطط ثلاجة الذوبان ( المصدر لأولئك الذين يرغبون في التعرف على مبادئ تشغيل هذا الجهاز بمزيد من التفاصيل).

تم إجراء التجربة نفسها في ثلاجة تخفيف خاصة عند درجة حرارة 120 ميلي ميللفين. حدثت عمليات التلاعب بالكوبيتات في حالة الشحن (1،1،1) ، والتهيئة عند (1،0،1) ، والقراءة عند (1،0،2).

(N ، N ، N) * - عدد الإلكترونات داخل كل نقطة من نقاط (اليسار والوسط واليمين).

لمعايرة عمليات التهيئة والتحكم والقراءة ، تم إجراء قياسات التغييرات في زمن التماسك لكل رطل. من أجل تقليل تفاعل التبادل بين الكوبيت ، قام العلماء بتغيير مستوى الطاقة في حالات الشحن بشكل كبير (1،1،1) و (2،0،1).

عند مراقبة LDbit ، تم الكشف عن تذبذب رابي بتردد 10 MHz ( 1d ) كدالة في زمن نبضة الموجات الصغرية ( 1e ). عند ST qubit ، لوحظ وجود تناقص بين | ↑ ↓⟩ و | ↓ ↑⟩ ( 1f ).

يوضح الشكل 1 ج عملية ربط اثنين من البت في بعضها البعض من خلال التفاعل التبادلي بين النقاط الكمومية واليسرى.

تم تشغيل النظام ثنائي النواة وفقًا للشروط التالية:

E _Z ≫ ∆E ^ST _Z ، QE ^QQ _Z ≫ J ^QQ ≫ J ^ST ، حيث:

الطاقة _Z - زيمان.
STE ^ST _Z هو الفرق في طاقة زيمان بين النقطتين اليمنى والوسطى.
QE ^QQ _Z هو الفرق بين الطاقة زيمان بين النقاط اليسرى والوسطى.
J ^QQ - تفاعل التبادل بين النقطتين اليسرى والوسطى ؛
J ^ST - تبادل التفاعل بين النقطتين اليمنى والوسطى.

في هذه الحالة ، سيكون هاميلتون النظام على النحو التالي:



حيث ^ σ ^LD _z و ^ σ ^ST _z هما المشغلات Pauli z لـ LD و ST qubits ، على التوالي.


الصورة رقم 2

قبل اختبار صمام ثنائي الكابت ، كمثال فعلي لنظام هجين ، قام العلماء بمعايرة قوة التفاعل بين الكويبت وتغيره من خلال معالجة مستويات القدرة.

تم التحكم في التفاعل بين الذكور و الكبت في الحالة النبضية من خلال تغيير الطاقة بين (2،1،1) و (1،1،1) حالات الشحن ( 2 ب ). ولمنع الفقد في حالات الحوسبة الخاصة بـ ST qubit ، تم تشغيل وإيقاف تبادل التبادل بين الكوبيت بشكل ثابت عن طريق إدخال تغييرات في الجهد الخطي (بحد أقصى 24 نانو ثانية).

تم قياس الامتصاص المترابط لـ ST qubit بتكرار الحالات النبضية من D إلى H (الصورة رقم 2) دون تهيئة LDbit ومراقبته وقياسه ، مما جعل الأخير عبارة عن خليط من | ↑ ↓⟩ و | ↓ ↑⟩ بترتيب عشوائي.

يوضح الشكل 2 ب بالتفصيل الدائرة الكمومية المستخدمة في التجربة لإظهار السيطرة على تردد precession من ST qubit من خلال حالة الإدخال من LD qubit. باستخدام إما | ↑ ↓⟩ أو | ↓ ↑⟩ كحالة أولية ، تم الحصول على اختبار ST ( 2e ، 2f ).


الصورة رقم 3

يوضح الشكل 3 أ اعتماد وقت التهيئة على المرحلة ϕσLD ، على الرسم البياني 3b ، المرحلة التي تم التحكم فيها ϕ _C = ϕ _{| ↓〉} - ϕ _{| ↑〉} معروضة بالفعل.

أظهرت الملاحظات أن الوقت اللازم لصمام CPHASE المختبر يمكن أن يكون 5.5 نانو ثانية. ومع ذلك ، كان الوقت الذي تم الحصول عليه عن طريق أقصى طريقة احتمال 211 نانوثانية. يعزو العلماء ذلك إلى حقيقة أن قصر وقت جمع البيانات الذي تم الحصول عليه هنا "يقطع" مكون التردد المنخفض في طيف الضوضاء.


الصورة رقم 4

أثبت العلماء كذلك أن صمام CPHASE قادر على العمل بشكل صحيح تمامًا حتى عند تقديم حالات الإدخال التعسفي لـ LD qubit. يوضح الشكل 4 أ الدائرة الكمومية المستخدمة لهذا ، والتي يكون فيها وقت التنفيذ ثابتًا للوفاء بالشرط ϕ _C = π. في هذه الحالة ، يتم تحضير الحالة الأولية المتماسكة LD للجسيمات مع σLD z التعسفي بواسطة صدى دوران ثنائي القطب الكهربائي.

للتعرف بشكل أكثر تفصيلاً على الفروق الدقيقة في الدراسة (الطرق ، العمليات الحسابية ، الصيغ والملاحظات) ، أوصي بشدة أن تنظر في تقرير العلماء ومواد إضافية إليه.

خاتمة

لا يوجد حد الكمال. هذه العبارة ، مثل المزحة الملتحية ، قد تم سماعها بالفعل مائة مرة ، لكنها لا تزال ذات صلة. على الرغم من أن الحسابات الكمومية تعدنا بعالم جديد مشرق ، إلا أن تنفيذها يتطلب الكثير من الجهد والبحث وحل المشكلات.

ومع ذلك ، فإن هذه الدراسة تقرب تنفيذ الحوسبة الكمومية على مستوى عملي خطوة واحدة من الواقع. يتيح لنا استخدام مزايا الأنواع المختلفة من البتات في نظام هجين واحد تحقيق ليس فقط دقة عالية للعمليات الكمية ، ولكن أيضًا بسرعة عالية بما يكفي لتنفيذها. ومثل هذا المزيج كان له وسيظل مهمًا مهما كانت الحسابات ذاتها.

شكرا لك على البقاء معنا. هل تحب مقالاتنا؟ تريد أن ترى المزيد من المواد المثيرة للاهتمام؟ ادعمنا عن طريق تقديم طلب أو التوصية به لأصدقائك ، خصم 30٪ لمستخدمي Habr على تناظرية فريدة من خوادم الدخول التي اخترعناها لك: الحقيقة الكاملة حول VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1 جيجابت في الثانية من 20 $ أو كيفية تقسيم الخادم؟ (تتوفر خيارات مع RAID1 و RAID10 ، ما يصل إلى 24 مركزًا وما يصل إلى 40 جيجابايت من ذاكرة DDR4).

VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 مراكز) 10GB DDR4 240GB SSD بسرعة 1 جيجابت في الثانية حتى الربيع مجانًا عند الدفع لمدة ستة أشهر ، يمكنك طلبها هنا .

ديل R730xd 2 مرات أرخص؟ لدينا فقط 2 x Intel Dodeca-Core Xeon E5-2650v4 128GB DDR4 6x480GB SSD بسرعة 1 جيجابت في الثانية 100 TV من 249 دولارًا في هولندا والولايات المتحدة الأمريكية! اقرأ عن كيفية بناء البنية التحتية فئة باستخدام خوادم V4 R730xd E5-2650d تكلف 9000 يورو عن بنس واحد؟