Schneller und genauer: ein Hybridsystem heterogener Qubits

Einige Ideen sind hell geboren und sterben schnell aufgrund der Komplexität, der Kosten oder sogar der unnötigen Implementierung. Killerhaie mit Laserinstallationen am Kopf - das klingt sehr cool, sehr kompliziert und unglaublich lächerlich. Einige Ideen in ihrer Umsetzung versprechen jedoch, wenn nicht „goldene Berge“, dann zumindest einen Topf voll Gold. Dies gilt auch für Quantencomputer, die Superleistung, Superschnelligkeit und Energieeffizienz versprechen. Klingt verlockend, oder? So viele Wissenschaftler denken genauso. Die Implementierung von Quantencomputing erfordert die Lösung vieler Probleme. Und heute werden wir eine Studie kennenlernen, in der Wissenschaftler beschlossen haben, Geschwindigkeitsindikatoren durch die Entwicklung des sogenannten Qubit-Hybrids zu verbessern. Was es ist, woraus es besteht und wie es funktioniert, lernen wir aus dem Bericht der Forschungsgruppe. Lass uns gehen.

Studienbasis

Um es allen klar zu machen, betonen Wissenschaftler in erster Linie einige Aspekte, die ihrer Studie vorausgehen. Erstens sind dies Single-Spin-Qubits in Halbleiterquantenpunkten, die eine unglaubliche Genauigkeit für Quanten-Ein-Qubit-Gates von bis zu 99,99% bieten können. Zweitens sind dies Zwei-Qubit-Gatter mit einer langen Kohärenzzeit.

Ein Quantengatter * ist ein logisches Element, das den Eingangszustand eines Qubits nach einem bestimmten Gesetz in den Ausgangszustand umwandelt.

Das Problem ist, dass der Prozess der Initialisierung und des tatsächlichen Lesens von Qubits um eine Größenordnung langsamer verläuft als der Steuerungsprozess. Dies wirkt sich äußerst negativ auf die Implementierung von Protokollen aus, die auf Messungen basieren. Dazu gehört die Fehlerkorrektur.

Das klingt aber schon deprimierend, aber nicht für unsere Forscher. Sie stellen fest, dass ein Singulett-Triplett-Qubit, das in einen Zwei-Spin-Unterraum eingebettet ist, sowohl eine hohe Genauigkeit als auch eine hohe Geschwindigkeit aufweisen kann. Diese Elemente bilden die Grundlage des Hybridsystems, mit dem Wissenschaftler das Quantentor der kontrollierten Phase mit einer Geschwindigkeit von 5,5 Nanosekunden realisieren konnten, die um ein Vielfaches schneller ist als die Dephasierungszeit.

Dephasing * ist ein Mechanismus zum Extrahieren klassischer Merkmale aus Quantensystemen. Bezieht sich auf den Prozess der Abschwächung der Kohärenz eines Quantensystems.

Die wichtigsten Details eines Hybridsystems (CPHASE) sind sozusagen zwei Arten von Qubits, von denen jedes seine eigenen Vor- und Nachteile hat: Loss-DiVinsenzo-Qubits (im Folgenden: LD) und Singulett-Triplett-Qubits (im Folgenden: ST).

In LD-Qubits ist das Zwei-Qubit-Quantengatter ziemlich schnell, da es sich auf die Austauschprozesse zwischen benachbarten Spins konzentriert. ST-Qubits sind jedoch viel langsamer, da sie durch eine schwache Dipolkopplung begrenzt sind.

In den Prozessen der Initialisierung und des Lesens ändert sich die Situation radikal. LD-Qubits werden durch spin-selektives Tunneln langsamer. Und STs sind aufgrund des Pauli-Prinzips viel schneller.

Wir haben also zwei Arten von Qubits, die sich in bestimmten Prozessen perfekt zeigen. Wenn Sie ihren Vorteil in einem Hybridsystem kombinieren, können Sie schnellere und genauere Quantenberechnungen erhalten. Und dafür ist es notwendig, eine Verbindungsschnittstelle zwischen ihnen zu schaffen, was Wissenschaftler in ihrer Forschung getan haben. Lassen Sie uns herausfinden, wie erfolgreich ihre Arbeit war.

Forschungsergebnisse


Bild Nr. 1

In Abbildung 1a sehen wir, wie LD- und ST-Qubits an einem Triple Quantum Dot (TQD) implementiert wurden. Das LD-Qubit wird am linken Punkt gebildet, und ST befindet sich an den beiden anderen.

Um eine kohärente und resonante Kontrolle über das LD-Qubit zu erreichen, fügten die Wissenschaftler neben TQD einen Mikromagneten hinzu. Dies wurde durch elektrische Dipolspinresonanz (EDSR) erreicht, eine Methode zur Steuerung magnetischer Momente in einem System durch quantenmechanische Effekte wie Spin-Bahn-Kopplung.

Es ermöglichte auch, den Unterschied in der Zeeman-Energie zwischen dem zentralen und dem rechten Punkt im Vergleich zu ihrer Austauschinteraktion zu erhöhen.

Zeeman-Energie * ist die externe potentielle Energie von Spins in einem Magnetfeld.

Somit wird der Eigenzustand des ST-Qubits an diesen Punkten | ↑ ↓⟩ und | ↓ ↑⟩ anstelle des Singuletts | S⟩ und des Tripletts | T⟩. Dann wurde ein externes Magnetfeld von 3,166 T (Tesla) angelegt, das es uns ermöglichte, die Zustände des LD-Qubits durch die Zeeman-Energie zu trennen und die polarisierten Triplettzustände | ↑ ↓⟩ und | ↓ ↑ ↑ ST-Qubits von den Rechenzuständen zu trennen.


Schema des Auflösungskühlschranks ( Quelle für diejenigen, die die Funktionsprinzipien dieses Geräts genauer kennenlernen möchten).

Das Experiment selbst wurde in einem speziellen Verdünnungskühlschrank bei einer Temperatur von 120 mK (Millikelvin) durchgeführt. Manipulationen mit Qubits erfolgten bei einem Ladezustand (1,1,1), einer Initialisierung bei (1,0,1) und einem Lesen bei (1,0,2).

(N, N, N) * - die Anzahl der Elektronen in jedem der Punkte (links, Mitte und rechts).

Um die Initialisierungs-, Steuerungs- und Lesevorgänge zu kalibrieren, wurden Messungen von Änderungen der Kohärenzzeit für jedes Qubit durchgeführt. Um die Inter-Qubit-Austausch-Wechselwirkung zu reduzieren, haben Wissenschaftler das Energieniveau der Ladungszustände (1,1,1) und (2,0,1) dramatisch verändert.

Bei der Beobachtung des LD-Qubits wurde eine Rabi-Schwingung mit einer Frequenz von 10 MHz ( 1d ) als Funktion der Mikrowellenpulszeit ( 1e ) festgestellt. Am ST-Qubit wurde eine Präzession zwischen | ↑ ↓⟩ und | ↓ ↑⟩ ( 1f ) beobachtet.

1c zeigt den Prozess des Verbindens zweier Qubits miteinander durch die Austauschwechselwirkung zwischen dem linken und dem zentralen Quantenpunkt.

Das Zwei-Qubit-System wurde unter folgenden Bedingungen betrieben:

E _Z E E ^ST _Z , E ^QQ _Z J ^QQ J ^ST , wobei:

E _Z - Zeeman-Energie;
∆E ^ST _Z ist die Differenz der Zeeman-Energie zwischen dem rechten und dem Mittelpunkt;
∆E ^QQ _Z ist die Differenz der Zeeman-Energie zwischen dem linken und dem zentralen Punkt;
J ^QQ - Austauschinteraktion zwischen dem linken und dem zentralen Punkt;
J ^ST - Interaktion zwischen dem rechten und dem Mittelpunkt austauschen.

In diesem Fall lautet der Hamilton-Wert des Systems wie folgt:



wobei ^ σ ^LD _z und ^ σ ^ST _z die Pauli z-Operatoren für LD- bzw. ST-Qubits sind.


Bild Nr. 2

Vor dem Testen eines Zwei-Qubit-Ventils als aktuelles Beispiel eines Hybridsystems kalibrierten die Wissenschaftler die Stärke der Inter-Qubit-Wechselwirkung und ihre Variabilität durch Manipulation der Leistungspegel.

Die männlich-Qubit-Wechselwirkung im gepulsten Zustand wurde durch Ändern der Energie zwischen den Ladungszuständen (2,0,1) und (1,1,1) ( 2b ) gesteuert. Um Verluste in den Rechenzuständen des ST-Qubits zu vermeiden, wurde die Inter-Qubit-Austauschwechselwirkung durch Einführung linearer Spannungsänderungen (maximal 24 Nanosekunden) adiabatisch ein- und ausgeschaltet.

Die kohärente Präzession des ST-Qubits wurde gemessen, indem die gepulsten Zustände von D nach H (Bild Nr. 2) wiederholt wurden, ohne das LD-Qubit zu initialisieren, zu überwachen und zu messen, wodurch letzteres eine Mischung aus | ↑ ↓⟩ und | ↓ ↑ ↑ in zufälliger Reihenfolge wurde.

Fig. 2b zeigt detailliert die Quantenschaltung, die in dem Experiment verwendet wurde, um die Steuerung der Präzessionsfrequenz des ST-Qubits durch den Eingangszustand des LD-Qubits zu demonstrieren. Unter Verwendung von entweder | ↑ ↓⟩ oder | ↓ ↑⟩ als Ausgangszustand wurde die ST-Präzession ( 2e , 2f ) erhalten.


Bild Nr. 3

Abbildung 3a zeigt die Abhängigkeit der Initialisierungszeit von der Phase ϕσLD, in Grafik 3b ist die gesteuerte Phase ϕ _C = ϕ _{| ↓〉} - ϕ _{| ↑〉} bereits dargestellt.

Beobachtungen haben gezeigt, dass die für das getestete CPHASE-Ventil erforderliche Zeit 5,5 ns betragen kann. Die durch die Maximum-Likelihood-Methode erhaltene Zeit betrug jedoch 211 ns. Wissenschaftler führen dies auf die Tatsache zurück, dass die hier erhaltene kürzere Datenerfassungszeit die niederfrequente Komponente des Rauschspektrums „abschneidet“.


Bild Nr. 4

Die Wissenschaftler haben ferner gezeigt, dass das CPHASE-Ventil auch bei der Einführung beliebiger Eingangszustände eines LD-Qubits absolut korrekt arbeiten kann. Fig. 4a zeigt die dafür verwendete Quantenschaltung, bei der die Implementierungszeit festgelegt ist, um die Bedingung ϕ _C = π zu erfüllen. In diesem Fall wird der kohärente Anfangszustand LD eines Qubits mit beliebigem σLD z mittels elektrischer Dipolspinresonanz hergestellt.

Für eine detailliertere Kenntnis der Nuancen der Studie (Methoden, Berechnungen, Formeln und Beobachtungen) empfehle ich dringend, dass Sie sich den Bericht von Wissenschaftlern und zusätzliche Materialien dazu ansehen.

Nachwort

Der Perfektion sind keine Grenzen gesetzt. Diese Aussage wurde wie ein bärtiger Witz bereits hundertmal gehört, ist aber weiterhin relevant. Obwohl Quantenberechnungen uns eine glänzende neue Welt versprechen, erfordert ihre Implementierung einiges an Aufwand, Forschung und Problemlösung.

Diese Studie bringt die Implementierung von Quantencomputern auf praktischer Ebene jedoch der Realität einen Schritt näher. Die Nutzung der Vorteile verschiedener Arten von Qubits in einem Hybridsystem ermöglicht es uns, nicht nur eine hohe Genauigkeit der Quantenprozesse zu erreichen, sondern auch eine ausreichend hohe Geschwindigkeit ihrer Ausführung. Und eine solche Kombination hatte und wird immer eine Rolle spielen, unabhängig von den Berechnungen selbst.

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