Processeur quantique basé sur la résonance de spin et les manipulations avec un système singlet-triplet

Oh, ces technologies quantiques. Ils ont rempli l'esprit des scientifiques du monde entier, comme Pokemon GO a déjà rempli l'esprit des utilisateurs de smartphones. La comparaison n'est certainement pas la meilleure, car les premiers en bénéficieront, les seconds apporteront des foules de gens dans les parcs, mais pas pour le grand air ou un pique-nique. Aujourd'hui, nous comprendrons une étude visant à créer un processeur quantique évolutif capable de trouver et de corriger les erreurs. Pour qu'un tel processeur fonctionne, il est nécessaire de contrôler de nombreux qubits (bits quantiques) en parallèle, tandis que le processus de détection des erreurs parmi les qubits sélectionnés se poursuit. Autrement dit, nous jonglons avec une main, et avec l'autre, nous montrons des tours de cartes. La tâche, pour le moins, n'est pas facile. Voyons comment les scientifiques australiens ont pu concrétiser une idée aussi complexe dans la pratique. Allons-y.

Base d'étude

Afin de réaliser le fonctionnement efficace d'un nouveau type de processeur, les scientifiques ont dû se tourner vers les phénomènes physiques les plus populaires, à savoir la résonance de spin. Ils pensent que cela peut être le fondement de la mise en œuvre d'un contrôle biaxial parallèle. Et si tout cela est pris en charge par la technique de verrouillage par rotation Pauli * , il sera alors possible de mettre en œuvre des mesures locales de la parité de détection d'erreur.

Principe de Pauli * - en mécanique quantique, c'est le principe selon lequel deux fermions identiques ne peuvent pas être dans le même état quantique en même temps.

Jusqu'à présent, les études basées sur la physique quantique étaient plus enclines à la résonance à un seul spin ou au contrôle / mesure utilisant la tension dans une base singlet-triplet à double spin.

La multiplicité * est une caractérisation du spin d'un atome ou de molécules. Par exemple, un singulet est un système de deux particules dont le spin total est de 0.

Dans cette étude, les scientifiques veulent combiner les deux processus en un seul.

Dans le domaine de la manipulation de qubits à spin unique en silicium, le champ magnétique ou électrique aux fréquences micro-ondes est le plus souvent utilisé. Cela est dû au fait que les technologies hyperfréquences sont extrêmement développées, ce qui permet la mise en œuvre du contrôle biaxial d'un qubit en changeant de phase. Simple mais efficace.

Dans les méthodes modernes, telles que l'utilisation de la tunnellisation sélective à un seul spin dans un réservoir électronique, il existe certains inconvénients, selon les chercheurs. Par conséquent, leur utilisation dans des systèmes de détection de dispersion basés sur des portes quantiques est inefficace. Mais ce problème ne peut pas être laissé comme ça, car ces derniers ont une excellente propriété - les électrodes peuvent fonctionner à des températures plus élevées dans des structures de qubit à grande échelle, augmentant ainsi considérablement le seuil critique de surchauffe.

Mais avec le verrouillage de rotation de Pauli, les choses vont beaucoup mieux, car cette technique vous permet de coupler des données dans le processus de détection des erreurs et de correction. De plus, pour contrôler et manipuler la structure singlet-triplet à double spin, des fréquences micro-ondes nettement plus faibles sont nécessaires, ce qui peut réduire considérablement la taille physique d'un éventuel appareil basé sur cette technologie.


Structure de l'appareil

Les images 1a et 1b montrent en détail la structure du dispositif expérimental d'un double point quantique avec une ligne de transmission micro-ondes, qui était basé sur un semi-conducteur à oxyde métallique (MOS) de ²⁸ Si.

Une ligne de transmission micro-ondes est nécessaire pour générer des impulsions SET (transistor à un électron). L'appareil dispose également d'un capteur SET, qui est nécessaire pour atteindre une sensibilité à un coup, ce qui est extrêmement nécessaire pour lire les données d'une structure singlet-triplet. Les électrons ont été localisés à deux points quantiques (QD1 et QD2 dans les images ci-dessus) en appliquant une tension positive aux portes quantiques (G1 et G2). Un réservoir électronique est formé sous la surface de Si-SiO ₂ en polarisant positivement la valve ST, qui est également la valve SET principale.

Les résultats des expériences



L'image ci-dessus montre le diagramme de stabilité d'un système à double point quantique (ci-après dénommé CT) dans la région chargée (N1, N2) pendant le fonctionnement du dispositif. Lorsque les électrons sont placés dans un double QD, l'interaction d'échange conduit à une division d'énergie entre les états de spin singulet et triplet. Ce processus peut être contrôlé par des impulsions électriques visant les portes quantiques les plus proches.

Nous pouvons également observer les manifestations du blocage de spin de Pauli (ci-après SBP). Dans la transition des charges d'état de (1, 1) à (0, 2), un effet tunnel de l'électron QD1 vers l'électron QD2 se produit, mais seulement si ces deux électrons séparés étaient initialement dans le même état de spin. Mais les états du triplet sont bloqués en raison de la forte interaction d'échange dans l'état de charge (0, 2).

Le processus de fixation se produit en raison de liaisons asymétriques de deux points quantiques et d'un réservoir électronique. En conséquence de cela, un état de charge métastable du réservoir de points quantiques est formé (1, 1) - (1, 2). Le moteur principal de ce processus est le tunnelage entre QD1, QD2 et le réservoir.

(1, 1) - (1, 2) la transition est clairement perceptible, contrairement au cas où le système est initialement réglé pour se charger (0, 2). Dans ce cas, un état singulet très stable est observé, ce qui est associé à une forte division de l'énergie. Par conséquent, aucune zone de SBP fixe n'est observée.

Une caractéristique importante de la fixation d'état est que, pour cette raison, la «visibilité» augmente de 70% à 98%, c'est-à-dire que la probabilité d'identification erronée est réduite d'environ 16 fois pour cet appareil à base de silicium MOS.


Adresser un qubit individuel par résonance de spin.

L'étape suivante de l'expérience consistait à vérifier la possibilité d'adresser à un cube spécifique. Pour cela, un champ magnétique alternatif avec une durée d'impulsion de résonance de spin de 25 μs (microsecondes) a été utilisé. Le niveau de désaccord était assez élevé (environ 4,2 GHz) et le champ magnétique était de 150 mT (millitesla). Le résultat de l'application de ces paramètres a été une diminution de la visibilité, dont l'une des raisons de la manifestation peut être considérée comme une erreur de lecture des données.



Le graphique ci-dessus montre les données de toutes les expériences. Les scientifiques notent qu'avec l'anti-intersection (0, 2) - (1, 1), lorsque le niveau de désaccord est bas, la division se produit en raison de la connexion d'échange. Mais à un niveau élevé de désaccord - en raison de l'effet Zeeman, lorsque les lignes de spectres atomiques sont divisées dans un champ magnétique.

Résultats des chercheurs

La partie la plus importante de leur travail, les chercheurs appellent la possibilité d'analyser les erreurs, ce qui les exclura par la suite des futurs systèmes quantiques. Déterminer comment certaines erreurs affectent le système est devenu possible grâce à l'utilisation du verrouillage de rotation et à l'analyse des différents modes de fonctionnement de l'appareil.



Le graphique ci-dessus montre toutes les erreurs associées au processus de préparation et de mesure, ce qui conduit au fait que la visibilité ne peut pas dépasser la marque 98% (champ orange sur l'histogramme).

En plus des erreurs ci-dessus, il y a celles associées aux processus de transition des états de charge (0, 2) → (1, 1) ou (1, 1) → (0, 2).

L'erreur la plus importante, selon les scientifiques, est qu'elle se produit précisément au moment de la transmission adiabatique (processus thermodynamique à l'intérieur d'un système macroscopique, lorsqu'elle n'échange pas de chaleur avec l'environnement) vers / depuis la zone (1, 1).

Il est extrêmement difficile de transmettre toute l'exactitude de cette étude, de sorte que ceux qui souhaitent se familiariser avec elle plus en détail peuvent lire le rapport du groupe de recherche, disponible ici .

Épilogue

Pour la première fois, les scientifiques ont réussi à combiner le contrôle à un seul spin dans un dispositif au silicium au moyen de la résonance de spin et de la lecture dans une structure singlet-triplet. Des expériences ont montré que le contrôle et la manipulation de tels systèmes complexes sont tout à fait possibles. Les appareils qui peuvent pleinement mettre en œuvre ces techniques pourront également fonctionner en utilisant un champ magnétique nettement inférieur et à des températures plus élevées. Les scientifiques ont l'intention de poursuivre leurs recherches afin d'améliorer leur technologie, d'éliminer autant que possible les erreurs ou de trouver des moyens de les niveler complètement.

Cette étude visait tout d'abord à comprendre s'il est possible à l'avenir de créer des systèmes à suffisamment grande échelle basés sur les technologies quantiques. Jusqu'à présent, ces technologies ont été considérées comme la base de quelque chose, pour ainsi dire, de petite taille.

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