Más rápido y más preciso: un sistema híbrido de qubits heterogéneos

Algunas ideas nacen brillantemente y mueren rápidamente debido a la complejidad, el costo o incluso la implementación innecesaria. Tiburones asesinos con instalaciones láser en la cabeza: suena muy genial, muy complicado e increíblemente ridículo. Sin embargo, algunas ideas en su implementación prometen, si no "montañas de oro", al menos una olla de oro. Esto también se aplica a las computadoras cuánticas, que prometen ser súper potentes, súper rápidas y muy eficientes energéticamente. Suena tentador, ¿verdad? Muchos científicos piensan de la misma manera. La implementación de la computación cuántica requiere resolver muchos problemas. Y hoy nos familiarizaremos con un estudio en el que los científicos decidieron mejorar los indicadores de velocidad creando el llamado híbrido qubit. En qué consiste, en qué consiste y cómo funciona, aprendemos del informe del grupo de investigación. Vamos

Base de estudio

Para dejarlo claro a todos, los científicos enfatizan principalmente varios aspectos que preceden a su estudio. En primer lugar, se trata de qubits de un solo giro en puntos cuánticos de semiconductores, que pueden proporcionar un nivel increíble de precisión para puertas cuánticas de un qubit de hasta 99.99%. En segundo lugar, se trata de puertas de dos qubits con un largo tiempo de coherencia.

Una puerta cuántica * es un elemento lógico que convierte el estado de entrada de un qubit al estado de salida de acuerdo con una determinada ley.

El problema es que el proceso de inicialización y lectura real de qubits avanza un orden de magnitud más lento que el proceso de control. Y esto afecta extremadamente negativamente la implementación de protocolos basados ​​en mediciones. Estos incluyen la corrección de errores.

Pero esto ya suena deprimente, pero no para nuestros investigadores. Señalan que un qubit singlete-triplete incrustado en un subespacio de dos vueltas puede tener alta precisión y alta velocidad. Estos elementos son la base del sistema híbrido a través del cual los científicos pudieron realizar la puerta cuántica de la fase controlada a una velocidad de 5,5 nanosegundos, que es varias veces más rápida que el tiempo de eliminación.

La difamación * es un mecanismo para extraer características clásicas de los sistemas cuánticos. Se refiere al proceso de atenuación de la coherencia de un sistema cuántico.

Los principales detalles, por así decirlo, de un sistema híbrido (CPHASE) son dos tipos de qubits, cada uno de los cuales tiene sus propias ventajas y desventajas: qubits de pérdida-DiVinsenzo (en adelante LD) y qubits singlete-triplete (en adelante ST).

En qubits LD, la puerta cuántica de dos qubit es bastante rápida, ya que se concentra en los procesos de intercambio entre giros adyacentes. Pero los qubits ST son mucho más lentos, ya que están limitados por un acoplamiento dipolar débil.

En los procesos de inicialización y lectura, la situación está cambiando radicalmente. Los qubits de LD se vuelven más lentos debido a la tunelación selectiva de giro. Y los ST son mucho más rápidos debido al principio de Pauli.

Por lo tanto, tenemos dos tipos de qubits que se muestran perfectamente en ciertos procesos. Si combina su ventaja en un sistema híbrido, puede obtener cálculos cuánticos más rápidos y precisos. Y para esto es necesario crear una interfaz de conexión entre ellos, lo que los científicos hicieron en su investigación. Veamos qué tan exitoso fue su trabajo.

Resultados de la investigación


Imagen No. 1

En la Figura 1a, vemos cómo se implementaron los qubits LD y ST en un punto cuántico triple (TQD). LD qubit se forma en el punto izquierdo, y ST se encuentra en los otros dos.

Para lograr un control coherente y resonante sobre LD qubit, los científicos agregaron un micromagnet junto a TQD. Esto se logró a través de la resonancia de espín dipolar eléctrico (EDSR), un método para controlar los momentos magnéticos en un sistema a través de efectos de mecánica cuántica como el acoplamiento de órbita por espín.

También permitió aumentar la diferencia en la energía de Zeeman entre los puntos central y derecho en comparación con su interacción de intercambio.

La energía Zeeman * es la energía potencial externa de los espines en un campo magnético.

Por lo tanto, el estado propio del qubit ST en estos puntos se convierte en | ↑ ↓⟩ y | ↓ ↑⟩, en lugar del singlete | S⟩ y el triplete | T⟩. Luego, se aplicó un campo magnético externo de 3.166 T (Tesla), que nos permitió separar los estados del qubit LD por la energía Zeeman y separar los estados triplete polarizados | ↑ ↓⟩ y | ↓ ↑⟩ qubits ST de los estados computacionales.


Esquema del refrigerador de disolución ( Fuente para aquellos que desean familiarizarse con los principios de funcionamiento de este dispositivo con más detalle).

El experimento en sí se realizó en un refrigerador de dilución especial a una temperatura de 120 mK (milikelvin). Las manipulaciones con qubits tuvieron lugar en un estado de carga (1,1,1), inicialización en (1,0,1) y lectura en (1,0,2).

(N, N, N) * : la cantidad de electrones dentro de cada uno de los puntos (izquierda, centro y derecha).

Para calibrar los procesos de inicialización, control y lectura, se realizaron mediciones de los cambios en el tiempo de coherencia para cada qubit. Para reducir la interacción de intercambio entre qubits, los científicos cambiaron drásticamente el nivel de energía de los estados de carga (1,1,1) y (2,0,1).

Al observar el qubit LD, se reveló la oscilación Rabi con una frecuencia de 10 MHz ( 1d ) en función del tiempo de pulso de microondas ( 1e ). En el qubit ST, se observó una precesión entre | ↑ ↓⟩ y | ↓ ↑⟩ ( 1f ).

La figura 1c ilustra el proceso de vincular dos qubits entre sí a través de la interacción de intercambio entre los puntos cuánticos izquierdo y central.

El sistema de dos qubit fue operado de acuerdo con la siguiente condición:

E _Z ≫ ∆E ^ST _Z , ∆E ^QQ _Z ≫ J ^QQ ≫ J ^ST , donde:

E _Z - Energía Zeeman;
∆E ^ST _Z es la diferencia de la energía Zeeman entre los puntos central y derecho;
∆E ^QQ _Z es la diferencia de la energía Zeeman entre los puntos izquierdo y central;
J ^QQ : interacción de intercambio entre los puntos izquierdo y central;
J ^ST : interacción de intercambio entre los puntos derecho y central.

En este caso, el hamiltoniano del sistema será el siguiente:



donde ^ σ ^LD _z y ^ σ ^ST _z son los operadores z de Pauli para los qubits LD y ST, respectivamente.


Imagen No. 2

Antes de probar una válvula de dos qubits, como un ejemplo real de un sistema híbrido, los científicos calibraron la fuerza de la interacción entre qubits y su variabilidad al manipular los niveles de potencia.

La interacción hombre-qubit en el estado pulsado se controló cambiando la energía entre los estados de carga (2,0,1) y (1,1,1) ( 2b ). Y para evitar pérdidas en los estados informáticos del qubit ST, la interacción de intercambio entre qubits se activaba y desactivaba adiabáticamente mediante la introducción de cambios lineales de voltaje (máximo de 24 nanosegundos).

La precesión coherente del qubit ST se midió repitiendo los estados pulsados ​​de D a H (imagen No. 2) sin inicializar, monitorear y medir el qubit LD, lo que convirtió a este último en una mezcla de | ↑ ↓⟩ y | ↓ ↑⟩ en orden aleatorio.

La figura 2b muestra en detalle el circuito cuántico utilizado en el experimento para demostrar el control sobre la frecuencia de precesión del qubit ST a través del estado de entrada del qubit LD. Usando | ↑ ↓⟩ o | ↓ ↑⟩ como estado inicial, se obtuvo la precesión ST ( 2e , 2f ).


Imagen No. 3

La Figura 3a muestra la dependencia del tiempo de inicialización en la fase ϕσLD, en el gráfico 3b la fase controlada ϕ _C = ϕ _{| ↓〉} - ϕ _{| ↑〉} ya se muestra.

Las observaciones han demostrado que el tiempo requerido para la válvula CPHASE probada puede ser de 5.5 ns. Sin embargo, el tiempo obtenido por el método de máxima verosimilitud fue de 211 ns. Los científicos atribuyen esto al hecho de que el menor tiempo de recopilación de datos obtenido aquí "corta" el componente de baja frecuencia del espectro de ruido.


Imagen No. 4

Los científicos demostraron además que la válvula CPHASE puede funcionar de manera absolutamente correcta incluso al introducir estados de entrada arbitrarios de un qubit LD. La figura 4a muestra el circuito cuántico utilizado para esto, en el que el tiempo de implementación se fija para satisfacer la condición ϕ _C = π. En este caso, el estado inicial coherente LD de un qubit con σLD z arbitrario se prepara mediante resonancia de espín dipolo eléctrico.

Para un conocimiento más detallado de los matices del estudio (métodos, cálculos, fórmulas y observaciones), le recomiendo que consulte el informe de los científicos y los materiales adicionales .

Epílogo

No hay límite para la perfección. Esta declaración, como una broma con barba, ya se ha escuchado cientos de veces, pero sigue siendo relevante. Aunque los cálculos cuánticos nos prometen un mundo nuevo y brillante, su implementación requiere bastante esfuerzo, investigación y resolución de problemas.

Sin embargo, este estudio lleva la implementación de la computación cuántica a un nivel práctico un paso más cerca de la realidad. El uso de las ventajas de diferentes tipos de qubits en un sistema híbrido nos permite lograr no solo una alta precisión de los procesos cuánticos, sino también una velocidad suficientemente alta de su ejecución. Y esa combinación siempre ha tenido y será importante, sean cuales sean los cálculos en sí.

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