Plus rapide et plus précis: un système hybride de qubits hétérogènes

Certaines idées naissent brillamment et meurent rapidement en raison de la complexité, du coût ou même d'une mise en œuvre inutile. Des requins tueurs avec des installations laser sur la tête - cela semble très cool, très compliqué et incroyablement ridicule. Cependant, certaines idées dans leur mise en œuvre promettent sinon des «montagnes dorées», alors au moins un pot d'or. Cela s'applique également aux ordinateurs quantiques, qui promettent d'être super puissants, super rapides et très économes en énergie. Cela semble tentant, non? Tant de scientifiques pensent de la même façon. La mise en œuvre de l'informatique quantique nécessite de résoudre de nombreux problèmes. Et aujourd'hui, nous allons nous familiariser avec une étude dans laquelle les scientifiques ont décidé d'améliorer les indicateurs de vitesse en créant ce que l'on appelle l'hybride qubit. En quoi consiste-t-il, en quoi il consiste et comment il fonctionne, nous apprenons du rapport du groupe de recherche. Allons-y.

Base d'étude

Pour être clair pour tout le monde, les scientifiques mettent principalement l'accent sur plusieurs aspects qui précèdent leur étude. Tout d'abord, ce sont des qubits à spin unique dans des points quantiques semi-conducteurs, qui peuvent fournir un niveau de précision incroyable pour les portes quantiques à un qubit jusqu'à 99,99%. Deuxièmement, ce sont des portes à deux qubits avec un long temps de cohérence.

Une porte quantique * est un élément logique qui convertit l'état d'entrée d'un qubit en l'état de sortie selon une certaine loi.

Le problème est que le processus d'initialisation et de lecture réelle des qubits se déroule un ordre de grandeur plus lentement que le processus de contrôle. Et cela affecte extrêmement négativement la mise en œuvre de protocoles basés sur des mesures. Il s'agit notamment de la correction des erreurs.

Mais cela semble déjà déprimant, mais pas pour nos chercheurs. Ils notent qu'un qubit singlet-triplet intégré dans un sous-espace à deux spins peut avoir à la fois une grande précision et une vitesse élevée. Ce sont ces éléments qui sont à la base du système hybride grâce auquel les scientifiques ont pu réaliser la porte quantique de la phase contrôlée à une vitesse de 5,5 nanosecondes, ce qui est plusieurs fois plus rapide que le temps de déphasage.

Le déphasage * est un mécanisme permettant d'extraire des caractéristiques classiques des systèmes quantiques. Désigne le processus d'atténuation de la cohérence d'un système quantique.

Les principaux détails, pour ainsi dire, d'un système hybride (CPHASE) sont deux types de qubits, chacun ayant ses propres avantages et inconvénients: les qubits Loss-DiVinsenzo (ci-après LD) et les qubits singlet-triplet (ci-après ST).

Dans les qubits LD, la porte quantique à deux qubits est plutôt rapide, car elle se concentre sur les processus d'échange entre les spins adjacents. Mais les qubits ST sont beaucoup plus lents, car ils sont limités par un faible couplage dipolaire.

Dans les processus d'initialisation et de lecture, la situation change radicalement. Les qubits LD deviennent plus lents en raison de l'effet tunnel sélectif en spin. Et les ST sont beaucoup plus rapides grâce au principe de Pauli.

Ainsi, nous avons deux types de qubits qui se montrent parfaitement dans certains processus. Si vous combinez leurs avantages dans un système hybride, vous pouvez obtenir des calculs quantiques plus rapides et plus précis. Et pour cela, il est nécessaire de créer une interface de connexion entre eux, ce que les scientifiques ont fait dans leurs recherches. Voyons à quel point leur travail a réussi.

Résultats de recherche


Image n ° 1

Dans la figure 1a, nous voyons comment les qubits LD et ST ont été implémentés à un point quantique triple (TQD). Le qubit LD est formé au point gauche et ST est situé aux deux autres.

Pour obtenir un contrôle cohérent et résonnant du qubit LD, les scientifiques ont ajouté un micro-aimant à côté de TQD. Cela a été accompli grâce à la résonance de spin dipôle électrique (EDSR), une méthode de contrôle des moments magnétiques dans un système par le biais d'effets mécaniques quantiques tels que le couplage spin-orbite.

Il a également permis d'augmenter la différence d'énergie Zeeman entre les points central et droit par rapport à leur interaction d'échange.

L'énergie Zeeman * est l'énergie potentielle externe des spins dans un champ magnétique.

Ainsi, l'état propre du qubit ST à ces points devient | ↑ ↓⟩ et | ↓ ↑⟩, au lieu du singulet | S⟩ et du triplet | T⟩. Ensuite, un champ magnétique externe de 3,166 T (Tesla) a été appliqué, ce qui nous a permis de séparer les états du qubit LD par l'énergie Zeeman et de séparer les états de triplet polarisés | ↑ ↓⟩ et | ↓ ↑⟩ qubits ST des états de calcul.


Schéma du réfrigérateur de dissolution ( Source pour ceux qui souhaitent se familiariser plus en détail avec les principes de fonctionnement de cet appareil).

L'expérience elle-même a été réalisée dans un réfrigérateur à dilution spéciale à une température de 120 mK (millikelvins). Les manipulations avec des qubits ont eu lieu à un état de charge (1,1,1), une initialisation à (1,0,1) et une lecture à (1,0,2).

(N, N, N) * - le nombre d'électrons à l'intérieur de chacun des points (gauche, centre et droite).

Pour calibrer les processus d'initialisation, de contrôle et de lecture, des mesures des changements dans le temps de cohérence pour chaque qubit ont été effectuées. Afin de réduire l'interaction d'échange inter-qubit, les scientifiques ont radicalement changé le niveau d'énergie des états de charge (1,1,1) et (2,0,1).

Lors de l'observation du qubit LD, une oscillation de Rabi avec une fréquence de 10 MHz ( 1d ) a été révélée en fonction du temps d'impulsion micro-ondes ( 1e ). Au qubit ST, une précession a été observée entre | ↑ ↓⟩ et | ↓ ↑⟩ ( 1f ).

La figure 1c illustre le processus de liaison de deux qubits l'un à l'autre par l'interaction d'échange entre les points quantiques gauche et central.

Le système à deux qubits était exploité conformément à la condition suivante:

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

E _Z - énergie Zeeman;
∆E ^ST _Z est la différence de l'énergie Zeeman entre les points droit et central;
∆E ^QQ _Z est la différence de l'énergie Zeeman entre les points gauche et central;
J ^QQ - échange d'interaction entre les points gauche et central;
J ^ST - échangez l'interaction entre les points droit et central.

Dans ce cas, l'hamiltonien du système sera le suivant:



où ^ σ ^LD _z et ^ σ ^ST _z sont les opérateurs z de Pauli pour les qubits LD et ST, respectivement.


Image n ° 2

Avant de tester une vanne à deux qubits, comme exemple réel d'un système hybride, les scientifiques ont calibré la force de l'interaction entre les qubits et sa variabilité en manipulant les niveaux de puissance.

L'interaction mâle-qubit à l'état pulsé a été contrôlée en modifiant l'énergie entre les états de charge (2,1,1) et (1,1,1) ( 2b ). Et pour éviter les pertes dans les états de calcul du qubit ST, l'interaction d'échange inter-qubit a été activée et désactivée de manière adiabatique en introduisant des changements de tension linéaires (maximum 24 nanosecondes).

La précession cohérente du qubit ST a été mesurée en répétant les états pulsés de D à H (image n ° 2) sans initialiser, surveiller et mesurer le qubit LD, ce qui a fait de ce dernier un mélange de | ↑ ↓⟩ et | ↓ ↑⟩ dans un ordre aléatoire.

La figure 2b montre en détail le circuit quantique utilisé dans l'expérience pour démontrer le contrôle de la fréquence de précession du qubit ST à travers l'état d'entrée du qubit LD. En utilisant soit | ↑ ↓⟩ ou | ↓ ↑⟩ comme état initial, la précession ST ( 2e , 2f ) a été obtenue.


Image n ° 3

La figure 3a montre la dépendance du temps d'initialisation à la phase ϕσLD, sur le graphique 3b la phase contrôlée ϕ _C = ϕ _{| ↓〉} - ϕ _{| ↑〉 est} déjà représentée.

Les observations ont montré que le temps requis pour la valve CPHASE testée peut être de 5,5 ns. Cependant, le temps obtenu par la méthode du maximum de vraisemblance était de 211 ns. Les scientifiques attribuent cela au fait que le temps de collecte de données plus court obtenu ici "coupe" la composante basse fréquence du spectre de bruit.


Image n ° 4

Les scientifiques ont en outre démontré que la vanne CPHASE est capable de fonctionner absolument correctement même lors de l'introduction d'états d'entrée arbitraires d'un qubit LD. La figure 4a montre le circuit quantique utilisé pour cela, dans lequel le temps de mise en œuvre est fixé pour satisfaire la condition ϕ _C = π. Dans ce cas, l'état initial cohérent LD d'un qubit avec σLD z arbitraire est préparé au moyen d'une résonance de spin dipolaire électrique.

Pour une connaissance plus détaillée des nuances de l'étude (méthodes, calculs, formules et observations), je vous recommande fortement de consulter le rapport des scientifiques et le matériel supplémentaire qui s'y rapporte.

Épilogue

Il n'y a pas de limite à la perfection. Cette déclaration, comme une plaisanterie barbue, a déjà été entendue cent fois, mais elle continue d'être pertinente. Bien que les calculs quantiques nous promettent un nouveau monde brillant, leur mise en œuvre nécessite pas mal d'efforts, de recherche et de résolution de problèmes.

Cependant, cette étude rapproche la mise en œuvre de l'informatique quantique à un niveau pratique de la réalité. L'utilisation des avantages de différents types de qubits dans un système hybride nous permet d'atteindre non seulement une grande précision des processus quantiques, mais également une vitesse suffisamment élevée de leur exécution. Et une telle combinaison a toujours eu et importera, quels que soient les calculs eux-mêmes.

Merci de rester avec nous. Aimez-vous nos articles? Vous voulez voir des matériaux plus intéressants? Soutenez-nous en passant une commande ou en le recommandant à vos amis, une réduction de 30% pour les utilisateurs Habr sur un analogue unique de serveurs d'entrée de gamme que nous avons inventés pour vous: Toute la vérité sur VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 cœurs) 10 Go DDR4 240 Go SSD 1 Gbps à partir de 20 $ ou comment diviser le serveur? (les options sont disponibles avec RAID1 et RAID10, jusqu'à 24 cœurs et jusqu'à 40 Go de DDR4).

VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 cœurs) 10 Go DDR4 240 Go SSD 1 Gbit / s jusqu'au printemps gratuitement lors du paiement pendant six mois, vous pouvez commander ici .

Dell R730xd 2 fois moins cher? Nous avons seulement 2 x Intel Dodeca-Core Xeon E5-2650v4 128 Go DDR4 6x480 Go SSD 1 Gbps 100 TV à partir de 249 $ aux Pays-Bas et aux États-Unis! Pour en savoir plus sur la création d'un bâtiment d'infrastructure. classe utilisant des serveurs Dell R730xd E5-2650 v4 coûtant 9 000 euros pour un sou?