Oh, estas tecnologías cuánticas. Llenaron las mentes de los científicos de todo el mundo, como Pokemon GO una vez llenó las mentes de los usuarios de teléfonos inteligentes. La comparación ciertamente no es la mejor, porque la primera se beneficiará, la segunda traerá multitudes de personas a los parques, pero no por el aire fresco o un picnic. Hoy entenderemos un estudio destinado a crear un procesador cuántico escalable que pueda encontrar y corregir errores. Para que dicho procesador funcione, es necesario controlar muchos qubits (bits cuánticos) en paralelo, mientras continúa el proceso de detección de errores entre los qubits seleccionados. Es decir, hacemos juegos malabares con una mano y con la otra mostramos trucos de cartas. La tarea, por decirlo suavemente, no es fácil. Veamos cómo los científicos de Australia pudieron realizar una idea tan compleja en la práctica. Vamos
Base de estudioPara realizar la operación efectiva de un nuevo tipo de procesador, los científicos tuvieron que recurrir a los fenómenos físicos no más populares, a saber, la resonancia de espín. Ellos creen que esto puede ser la base para la implementación del control biaxial paralelo. Y si todo esto es compatible con la técnica de
bloqueo de giro de
Pauli * , entonces será posible implementar mediciones locales de la paridad de detección de errores.
Principio de Pauli * : en la mecánica cuántica, este es el principio según el cual dos fermiones idénticos no pueden estar en el mismo estado cuántico al mismo tiempo.
Hasta ahora, los estudios basados en la física cuántica se han inclinado más hacia la resonancia de un solo espín o el control / medición utilizando el voltaje en una base de triplete de doble espín.
La multiplicidad * es una caracterización del giro de un átomo o moléculas. Por ejemplo, una camiseta es un sistema de dos partículas cuyo giro total es 0.
En este estudio, los científicos quieren combinar ambos procesos en uno solo.
En el campo de la manipulación de qubits de un solo giro en silicio, el campo magnético o eléctrico a frecuencias de microondas se usa con mayor frecuencia. Esto se debe al hecho de que las tecnologías de microondas están extremadamente desarrolladas, lo que permite la implementación del control biaxial de un qubit cambiando la fase. Simple pero efectivo.
Según los investigadores, en los métodos modernos, como el uso de túneles selectivos de un solo giro en un depósito electrónico, existen algunos inconvenientes. Por lo tanto, su uso en sistemas de detección de dispersión basados en puertas cuánticas es ineficaz. Pero este problema no puede dejarse así, porque estos últimos tienen una propiedad excelente: los electrodos pueden funcionar a temperaturas más altas en estructuras de qubit a gran escala, lo que aumenta en gran medida el umbral crítico de sobrecalentamiento.
Pero con el bloqueo de giro de Pauli, las cosas son mucho mejores, ya que esta técnica le permite emparejar datos en el proceso de detección de errores y corrección. Además, para controlar y manipular la estructura singlete-triplete de doble giro, se necesitan frecuencias de microondas significativamente más bajas, lo que puede reducir en gran medida el tamaño físico de un posible dispositivo basado en esta tecnología.
Estructura del dispositivoLas Figuras 1a y 1b muestran en detalle la estructura del dispositivo experimental de un punto cuántico doble con una línea de transmisión de microondas, que se basó en un semiconductor de óxido de metal de
28 Si (MOS).
Se necesita una línea de transmisión de microondas para generar pulsos SET (transistor de un solo electrón). El dispositivo también tiene un sensor SET, que es necesario para lograr la sensibilidad de un solo disparo, lo cual es extremadamente necesario para leer datos de una estructura singlete-triplete. Los electrones se ubicaron en dos puntos cuánticos (QD1 y QD2 en las imágenes de arriba) aplicando un voltaje positivo a las puertas cuánticas (G1 y G2). Se forma un depósito electrónico debajo de la superficie de Si-SiO
2 al polarizar positivamente la válvula ST, que también es la válvula SET principal.
Los resultados de los experimentos.
La imagen de arriba muestra el diagrama de estabilidad de un sistema de doble punto cuántico (en adelante denominado CT) en la región cargada (N1, N2) durante el funcionamiento del dispositivo. Cuando los electrones se colocan en un doble QD, la interacción de intercambio conduce a la división de energía entre los estados de espín singlete y triplete. Este proceso puede controlarse mediante impulsos eléctricos dirigidos a las puertas cuánticas más cercanas.
También podemos observar las manifestaciones del bloqueo de giro de Pauli (en adelante SBP). En la transición de las cargas estatales de (1, 1) a (0, 2), se produce un túnel desde el electrón QD1 al electrón QD2, pero solo si estos dos electrones separados estaban inicialmente en el mismo estado de espín. Pero los estados triplete están bloqueados debido a la fuerte interacción de intercambio en el estado de carga (0, 2).
El proceso de fijación ocurre debido a enlaces asimétricos de dos puntos cuánticos y un depósito electrónico. Como resultado de esto, se forma un estado de carga metaestable del depósito de puntos cuánticos (1, 1) - (1, 2). El motor principal de este proceso es el túnel entre QD1, QD2 y el tanque.
(1, 1) - (1, 2) la transición es claramente perceptible, en contraste con el caso cuando el sistema está configurado inicialmente para cargarse (0, 2). En este caso, se observa un estado singlete muy estable, que se asocia con una fuerte división de energía. Como resultado, no se observan áreas de PAS fijo.
Una característica importante de la fijación de estado es que debido a esto, la "visibilidad" aumenta del 70% al 98%, es decir, la probabilidad de identificación errónea se reduce en aproximadamente 16 veces para este dispositivo basado en MOS de silicio.
Abordar un qubit individual mediante resonancia de espín.La siguiente etapa del experimento fue verificar la posibilidad de dirigirse a un cubo específico. Para esto, se usó un campo magnético alterno con una duración de pulso de resonancia de espín de 25 μs (microsegundos). El nivel de desafinación fue bastante alto (aproximadamente 4,2 GHz), y el campo magnético fue de 150 mT (militesla). El resultado de la aplicación de tales parámetros fue una disminución en la visibilidad, una de las razones por la cual se pueden considerar errores en la lectura de datos.
El gráfico anterior muestra datos de todos los experimentos. Los científicos señalan que con la anti-intersección (0, 2) - (1, 1), cuando el nivel de desafinación es bajo, la división se produce debido a la conexión de intercambio. Pero a un alto nivel de desafinación, debido al efecto Zeeman, cuando las líneas de los espectros atómicos se dividen en un campo magnético.
Resultados de los investigadoresLa parte más importante de su trabajo, los investigadores llaman a la posibilidad de analizar errores, que posteriormente los excluirá de futuros sistemas cuánticos. La determinación de cómo ciertos errores afectan el sistema se ha hecho posible mediante el uso del bloqueo de giro y el análisis de varios modos de operación del dispositivo.
El cuadro anterior muestra todos los errores asociados con el proceso de preparación y medición, lo que lleva al hecho de que la visibilidad no puede exceder la marca del 98% (campo naranja en el histograma).
Además de los errores anteriores, existen aquellos asociados con los procesos de transiciones de estados de carga (0, 2) → (1, 1) o (1, 1) → (0, 2).
El error más significativo, según los científicos, es que ocurre precisamente en el momento de la transmisión adiabática (proceso termodinámico dentro de un sistema macroscópico, cuando no intercambia calor con el ambiente) hacia / desde el área (1, 1).
Es extremadamente difícil transmitir toda la precisión de este estudio, por lo que aquellos que deseen familiarizarse con él con más detalle pueden leer el informe del grupo de investigación,
disponible aquí .
EpílogoPor primera vez, los científicos lograron combinar el control de un solo giro en un dispositivo de silicio por medio de resonancia de giro y lectura en una estructura de singlete-triplete. Los experimentos han demostrado que el control y la manipulación de sistemas tan complejos son bastante posibles. Los dispositivos que pueden implementar completamente estas técnicas también podrán operar utilizando un campo magnético significativamente más bajo y a temperaturas más altas. Los científicos tienen la intención de continuar su investigación para mejorar su tecnología, eliminar los errores tanto como sea posible o encontrar formas de nivelarlos por completo.
Este estudio, en primer lugar, tenía como objetivo comprender si es posible en el futuro crear sistemas suficientemente a gran escala basados en tecnologías cuánticas. Hasta ahora, tales tecnologías se han considerado como la base de algo, por así decirlo, pequeño.
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