Quantenprozessor basierend auf Spinresonanz und Manipulationen mit einem Singulett-Triplett-System

Oh, diese Quantentechnologien. Sie erfüllten die Gedanken von Wissenschaftlern auf der ganzen Welt, wie Pokemon GO einst die Köpfe von Smartphone-Nutzern erfüllte. Der Vergleich ist sicherlich nicht der beste, denn der erstere wird davon profitieren, der letztere wird Menschenmassen in die Parks bringen, aber nicht um der frischen Luft oder einem Picknick willen. Heute werden wir eine Studie verstehen, die darauf abzielt, einen skalierbaren Quantenprozessor zu schaffen, der Fehler finden und korrigieren kann. Damit ein solcher Prozessor funktioniert, müssen viele Qubits (Quantenbits) parallel gesteuert werden, während der Prozess des Erfassens von Fehlern unter den ausgewählten Qubits fortgesetzt wird. Das heißt, wir jonglieren mit einer Hand und mit der anderen zeigen wir Kartentricks. Die Aufgabe ist, gelinde gesagt, nicht einfach. Lassen Sie uns herausfinden, wie Wissenschaftler aus Australien eine so komplexe Idee in die Praxis umsetzen konnten. Lass uns gehen.

Studienbasis

Um den effektiven Betrieb eines neuen Prozessortyps zu realisieren, mussten sich die Wissenschaftler nicht den beliebtesten physikalischen Phänomenen zuwenden, nämlich der Spinresonanz. Sie glauben, dass dies die Grundlage für die Implementierung einer parallelen zweiachsigen Kontrolle sein kann. Und wenn all dies durch die Pauli * -Spinlock-Technik unterstützt wird, können lokale Messungen der Fehlererkennungsparität durchgeführt werden.

Pauli-Prinzip * - In der Quantenmechanik ist dies das Prinzip, nach dem zwei identische Fermionen nicht gleichzeitig im gleichen Quantenzustand sein können.

Bisher waren Studien auf der Grundlage der Quantenphysik eher auf Single-Spin-Resonanz oder Kontrolle / Messung unter Verwendung von Spannung auf Doppel-Spin-Singulett-Triplett-Basis ausgerichtet.

Multiplizität * ist eine Charakterisierung des Spins eines Atoms oder von Molekülen. Zum Beispiel ist ein Singulett ein System aus zwei Teilchen, deren Gesamtspin 0 ist.

In dieser Studie wollen Wissenschaftler beide Prozesse zu einem kombinieren.

Auf dem Gebiet der Manipulation von Single-Spin-Qubits in Silizium wird am häufigsten das magnetische oder elektrische Feld bei Mikrowellenfrequenzen verwendet. Dies liegt an der Tatsache, dass Mikrowellentechnologien extrem entwickelt sind, was die Implementierung einer zweiachsigen Steuerung eines Qubits durch Ändern der Phase ermöglicht. Einfach aber effektiv.

Bei modernen Methoden, wie der Verwendung von Single-Spin-selektivem Tunneln in ein elektronisches Reservoir, gibt es nach Ansicht der Forscher einige Nachteile. Daher ist ihre Verwendung in Dispersionserfassungssystemen, die auf Quantengattern basieren, unwirksam. Dieses Problem kann jedoch nicht einfach so bleiben, da letztere eine hervorragende Eigenschaft haben - die Elektroden können bei höheren Temperaturen in Qubit-Strukturen im großen Maßstab arbeiten, wodurch die kritische Überhitzungsschwelle stark erhöht wird.

Mit Paulis Spin Lock sind die Dinge jedoch viel besser, da Sie mit dieser Technik Daten bei der Fehlererkennung und -korrektur koppeln können. Zusätzlich werden zur Steuerung und Manipulation der Doppelspin-Singulett-Triplett-Struktur signifikant niedrigere Mikrowellenfrequenzen benötigt, was die physikalische Größe eines möglichen Geräts auf der Basis dieser Technologie erheblich reduzieren kann.


Gerätestruktur

Die 1a und 1b zeigen detailliert die Struktur der experimentellen Vorrichtung eines Doppelquantenpunkts mit einer Mikrowellenübertragungsleitung, die auf einem ²⁸ Si-Metalloxidhalbleiter (MOS) basierte.

Eine Mikrowellenübertragungsleitung wird benötigt, um SET-Impulse (Einzelelektronentransistor) zu erzeugen. Das Gerät verfügt außerdem über einen SET-Sensor, der zur Erzielung einer Einzelschussempfindlichkeit erforderlich ist, die zum Lesen von Daten aus einer Singulett-Triplett-Struktur äußerst wichtig ist. Die Elektronen wurden an zwei Quantenpunkten (QD1 und QD2 in den obigen Bildern) durch Anlegen einer positiven Spannung an die Quantentore (G1 und G2) lokalisiert. Ein elektronisches Reservoir wird unter der Oberfläche von Si-SiO _{2 gebildet,} indem das ST-Ventil, das auch das Haupt-SET-Ventil ist, positiv vorgespannt wird.

Die Ergebnisse der Experimente



Das obige Bild zeigt das Stabilitätsdiagramm eines Doppelquantenpunktsystems (im Folgenden als CT bezeichnet) im geladenen Bereich (N1, N2) während des Betriebs der Vorrichtung. Wenn Elektronen in eine doppelte QD gebracht werden, führt die Austauschwechselwirkung zu einer Energieaufteilung zwischen dem Singulett- und dem Triplett-Spinzustand. Dieser Prozess kann durch elektrische Impulse gesteuert werden, die auf die nächsten Quantentore gerichtet sind.

Wir können auch die Manifestationen von Paulis Spinblockade (im Folgenden: SBP) beobachten. Beim Übergang von Zustandsladungen von (1, 1) zu (0, 2) tritt ein Tunnel vom Elektron QD1 zum Elektron QD2 auf, jedoch nur, wenn sich diese beiden getrennten Elektronen anfänglich im gleichen Spinzustand befanden. Die Triplettzustände sind jedoch aufgrund der starken Austauschwechselwirkung im Ladungszustand (0, 2) blockiert.

Der Fixierungsprozess erfolgt aufgrund asymmetrischer Bindungen zweier Quantenpunkte und eines elektronischen Reservoirs. Infolgedessen wird ein metastabiler Ladungszustand des Quantenpunktreservoirs gebildet (1, 1) - (1, 2). Der Hauptmotor dieses Prozesses ist das Tunneln zwischen QD1, QD2 und dem Tank.

(1, 1) - (1, 2) Der Übergang ist deutlich erkennbar, im Gegensatz zu dem Fall, in dem das System anfänglich auf Ladung eingestellt ist (0, 2). In diesem Fall wird ein sehr stabiler Singulettzustand beobachtet, der mit einer starken Energiespaltung verbunden ist. Infolgedessen werden Bereiche mit festem SBP nicht beobachtet.

Ein wichtiges Merkmal der Zustandsfixierung ist, dass aufgrund dessen die "Sichtbarkeit" von 70% auf 98% steigt, dh die Wahrscheinlichkeit einer fehlerhaften Identifizierung für dieses auf Silizium-MOS basierende Gerät um das 16-fache verringert wird.


Adressierung eines einzelnen Qubits durch Spinresonanz.

Die nächste Stufe des Experiments bestand darin, die Möglichkeit der Adressierung an einen bestimmten Würfel zu prüfen. Hierzu wurde ein magnetisches Wechselfeld mit einer Pulsdauer der Spinresonanz von 25 µs (Mikrosekunden) verwendet. Das Verstimmungsniveau war ziemlich hoch (ungefähr 4,2 GHz) und das Magnetfeld betrug 150 mT (Millitesla). Das Ergebnis der Anwendung solcher Parameter war eine Abnahme der Sichtbarkeit, einer der Gründe für die Manifestation, die als Fehler beim Lesen von Daten angesehen werden können.



Die obige Grafik zeigt Daten aus allen Experimenten. Wissenschaftler stellen fest, dass bei der Anti-Schnittmenge (0, 2) - (1, 1) bei geringem Verstimmungsgrad die Aufspaltung aufgrund der Austauschverbindung erfolgt. Aber auf einem hohen Verstimmungsniveau - aufgrund des Zeeman-Effekts, wenn die Linien der Atomspektren in einem Magnetfeld geteilt werden.

Ergebnisse der Forscher

Als wichtigsten Teil ihrer Arbeit bezeichnen Forscher die Möglichkeit, Fehler zu analysieren, die sie anschließend von zukünftigen Quantensystemen ausschließen. Das Bestimmen, wie sich bestimmte Fehler auf das System auswirken, ist durch die Verwendung von Spin Lock und die Analyse verschiedener Betriebsarten des Geräts möglich geworden.



Die obige Tabelle zeigt alle Fehler im Zusammenhang mit dem Vorbereitungs- und Messprozess, die dazu führen, dass die Sichtbarkeit die 98% -Marke (orangefarbenes Feld im Histogramm) nicht überschreiten kann.

Zusätzlich zu den obigen Fehlern gibt es solche, die mit den Prozessen der Übergänge der Ladungszustände (0, 2) → (1, 1) oder (1, 1) → (0, 2) verbunden sind.

Der bedeutendste Fehler ist laut Wissenschaftlern, dass er genau im Moment der adiabatischen (thermodynamischen Prozess innerhalb eines makroskopischen Systems, wenn er keine Wärme mit der Umgebung austauscht) Übertragung zum / vom Bereich (1, 1) auftritt.

Es ist äußerst schwierig, die Richtigkeit dieser Studie zu vermitteln. Wer sich näher damit vertraut machen möchte, kann den hier verfügbaren Bericht der Forschungsgruppe lesen.

Nachwort

Zum ersten Mal gelang es den Wissenschaftlern, die Single-Spin-Steuerung in einer Siliziumvorrichtung mittels Spinresonanz und Lesen in einer Singulett-Triplett-Struktur zu kombinieren. Experimente haben gezeigt, dass die Steuerung und Manipulation derart komplexer Systeme durchaus möglich ist. Geräte, die diese Techniken vollständig implementieren können, können auch mit einem deutlich niedrigeren Magnetfeld und bei höheren Temperaturen arbeiten. Wissenschaftler beabsichtigen, ihre Forschung fortzusetzen, um ihre Technologie zu verbessern, Fehler so weit wie möglich zu beseitigen oder Wege zu finden, sie vollständig auszugleichen.

Ziel dieser Studie war es zunächst zu verstehen, ob es in Zukunft möglich ist, ausreichend große Systeme auf der Basis von Quantentechnologien zu schaffen. Bisher galten solche Technologien als Grundlage für sozusagen kleine Dinge.

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