Prosesor kuantum berdasarkan resonansi putaran dan manipulasi dengan sistem singlet-triplet

Oh, teknologi kuantum ini. Mereka memenuhi pikiran para ilmuwan di seluruh dunia, karena Pokemon GO pernah mengisi pikiran pengguna smartphone. Perbandingannya tentu bukan yang terbaik, karena yang pertama akan mendapat manfaat, yang terakhir akan membawa kerumunan orang di taman, tetapi tidak demi udara segar atau piknik. Hari ini kita akan memahami studi yang bertujuan untuk menciptakan prosesor kuantum yang dapat diskalakan yang dapat menemukan dan memperbaiki kesalahan. Agar prosesor seperti itu bekerja, perlu untuk mengontrol banyak qubit (bit kuantum) secara paralel, sementara proses mendeteksi kesalahan di antara hasil qubit yang dipilih berlangsung. Yaitu, kami menyulap dengan satu tangan, dan dengan yang lain kami menunjukkan trik kartu. Tugasnya, secara sederhana, bukanlah tugas yang mudah. Mari kita cari tahu bagaimana para ilmuwan dari Australia dapat mewujudkan gagasan yang begitu rumit dalam praktiknya. Ayo pergi.

Dasar studi

Untuk mewujudkan operasi efektif dari jenis prosesor baru, para ilmuwan harus beralih ke bukan fenomena fisik paling populer, yaitu, resonansi berputar. Mereka percaya bahwa ini dapat menjadi dasar untuk implementasi kontrol biaksial paralel. Dan jika semua ini didukung oleh teknik spin- lock Pauli * , maka akan dimungkinkan untuk menerapkan pengukuran lokal dari paritas deteksi kesalahan.

Prinsip Pauli * - dalam mekanika kuantum ini adalah prinsip yang menurutnya dua fermion identik tidak dapat berada dalam keadaan kuantum yang sama pada saat yang sama.

Sampai saat ini, penelitian yang didasarkan pada fisika kuantum lebih condong ke arah resonansi putaran tunggal atau kontrol / pengukuran menggunakan tegangan dalam basis singlet-triplet putaran ganda.

Multiplisitas * adalah karakterisasi putaran atom atau molekul. Misalnya, singlet adalah sistem dua partikel yang total putarannya adalah 0.

Dalam studi ini, para ilmuwan ingin menggabungkan kedua proses menjadi satu.

Di bidang manipulasi qubit spin tunggal dalam silikon, medan magnet atau listrik pada frekuensi gelombang mikro paling sering digunakan. Hal ini disebabkan oleh fakta bahwa teknologi microwave sangat dikembangkan, yang memungkinkan untuk penerapan kontrol biaksial qubit dengan mengubah fase. Sederhana namun efektif.

Dalam metode modern, seperti penggunaan tunnel selektif putaran tunggal ke reservoir elektronik, ada beberapa kelemahan, menurut para peneliti. Oleh karena itu, penggunaannya dalam sistem penginderaan dispersi berdasarkan gerbang kuantum tidak efektif. Tapi masalah ini tidak bisa dibiarkan begitu saja, karena yang terakhir memiliki sifat yang sangat baik - elektroda dapat beroperasi pada suhu yang lebih tinggi dalam struktur qubit skala besar, sehingga sangat meningkatkan ambang batas overheating kritis.

Tetapi dengan spin lock Pauli, semuanya jauh lebih baik, karena teknik ini memungkinkan Anda untuk memasangkan data dalam proses mendeteksi kesalahan dan mengoreksi. Selain itu, untuk mengontrol dan memanipulasi struktur singlet-triplet putaran ganda, frekuensi gelombang mikro yang lebih rendah diperlukan, yang dapat sangat mengurangi ukuran fisik perangkat yang mungkin didasarkan pada teknologi ini.


Struktur perangkat

Gambar 1a dan 1b menunjukkan secara rinci struktur perangkat eksperimental dari titik kuantum ganda dengan saluran transmisi gelombang mikro, yang didasarkan pada ²⁸ Si metal oxide semiconductor (MOS).

Jalur transmisi gelombang mikro diperlukan untuk menghasilkan pulsa SET (transistor elektron tunggal). Perangkat ini juga memiliki sensor SET, yang diperlukan untuk mencapai sensitivitas single-shot, yang sangat diperlukan untuk membaca data dari struktur singlet-triplet. Elektron terletak di dua titik kuantum (QD1 dan QD2 pada gambar di atas) dengan menerapkan tegangan positif ke gerbang kuantum (G1 dan G2). Reservoir elektronik terbentuk di bawah permukaan Si-SiO ₂ dengan secara positif membiaskan katup ST, yang juga merupakan katup SET utama.

Hasil percobaan



Gambar di atas menunjukkan diagram stabilitas sistem titik kuantum ganda (selanjutnya disebut sebagai CT) di wilayah bermuatan (N1, N2) selama pengoperasian perangkat. Ketika elektron ditempatkan dalam QD ganda, interaksi pertukaran menyebabkan pemisahan energi antara singlet dan triplet spin state. Proses ini dapat dikontrol oleh pulsa listrik yang ditujukan ke gerbang kuantum terdekat.

Kita juga dapat mengamati manifestasi penyumbatan spin Pauli (selanjutnya disebut SBP). Selama transisi muatan keadaan dari (1, 1) ke (0, 2), penerowongan dari elektron QD1 ke elektron QD2 terjadi, tetapi hanya jika dua elektron yang terpisah ini pada awalnya berada dalam keadaan spin yang sama. Tetapi negara bagian triplet diblokir karena interaksi pertukaran yang kuat di negara bagian biaya (0, 2).

Proses fiksasi terjadi karena ikatan asimetris dari dua titik kuantum dan reservoir elektronik. Sebagai akibatnya, keadaan muatan metastabil dari reservoir titik kuantum terbentuk (1, 1) - (1, 2). Mesin utama dari proses ini adalah tunneling antara QD1, QD2 dan tangki.

(1, 1) - (1, 2) transisi jelas terlihat, berbeda dengan kasus ketika sistem awalnya diatur untuk mengisi daya (0, 2). Dalam hal ini, keadaan singlet yang sangat stabil diamati, yang terkait dengan pemisahan energi yang kuat. Akibatnya, area SBP tetap tidak diamati.

Fitur penting untuk memperbaiki keadaan adalah karena ini, "visibilitas" meningkat dari 70% menjadi 98%, yaitu, kemungkinan identifikasi yang salah berkurang sekitar 16 kali untuk perangkat ini berdasarkan silikon MOS.


Mengatasi qubit individu melalui resonansi putaran.

Tahap selanjutnya dari percobaan adalah untuk memeriksa kemungkinan menangani ke kubus tertentu. Untuk ini, medan magnet bolak-balik dengan durasi pulsa resonansi putaran 25 μs (mikrodetik) digunakan. Level detuning cukup tinggi (sekitar 4,2 GHz), dan medan magnet 150 mT (millitesla). Hasil penerapan parameter tersebut adalah penurunan visibilitas, salah satu alasan untuk manifestasi yang dapat dianggap kesalahan dalam membaca data.



Grafik di atas menunjukkan data dari semua percobaan. Para ilmuwan mencatat bahwa dengan anti-persimpangan (0, 2) - (1, 1), ketika tingkat detuning rendah, pemisahan terjadi karena koneksi pertukaran. Tetapi pada tingkat tinggi detuning - karena efek Zeeman, ketika garis-garis spektrum atom terpecah dalam medan magnet.

Temuan Peneliti

Bagian terpenting dari pekerjaan mereka, para peneliti menyebut kemungkinan menganalisis kesalahan, yang kemudian akan mengecualikan mereka dari sistem kuantum masa depan. Menentukan bagaimana kesalahan tertentu memengaruhi sistem telah dimungkinkan melalui penggunaan kunci putaran dan analisis berbagai mode operasi perangkat.



Bagan di atas menunjukkan semua kesalahan yang terkait dengan proses persiapan dan pengukuran, yang mengarah pada fakta bahwa visibilitas tidak dapat melebihi tanda 98% (bidang oranye pada histogram).

Selain kesalahan di atas, ada yang terkait dengan proses transisi status pengisian (0, 2) → (1, 1) atau (1, 1) → (0, 2).

Kesalahan yang paling signifikan, menurut para ilmuwan, adalah bahwa hal itu terjadi tepat pada saat proses adiabatik (termodinamika di dalam sistem makroskopik, ketika tidak bertukar panas dengan lingkungan) transmisi ke / dari area (1, 1).

Sangat sulit untuk menyampaikan semua keakuratan penelitian ini, sehingga mereka yang ingin membiasakan diri dengannya secara lebih rinci dapat membaca laporan dari kelompok penelitian, tersedia di sini .

Epilog

Untuk pertama kalinya, para ilmuwan berhasil menggabungkan kontrol putaran tunggal dalam perangkat silikon dengan cara memutar resonansi dan membaca dalam struktur singlet-triplet. Eksperimen menunjukkan bahwa kontrol dan manipulasi sistem yang kompleks sangat mungkin dilakukan. Perangkat yang sepenuhnya dapat menerapkan teknik ini juga akan dapat beroperasi menggunakan medan magnet yang jauh lebih rendah dan pada suhu yang lebih tinggi. Para ilmuwan bermaksud untuk melanjutkan penelitian mereka untuk meningkatkan teknologi mereka, menghilangkan kesalahan sebanyak mungkin atau menemukan cara untuk benar-benar meratakannya.

Studi ini, pertama-tama, bertujuan untuk memahami apakah mungkin di masa depan untuk menciptakan sistem skala besar yang cukup berdasarkan pada teknologi kuantum. Untuk saat ini, teknologi semacam itu telah dianggap sebagai dasar untuk sesuatu, sehingga dapat dikatakan, kecil.

Terima kasih telah tinggal bersama kami. Apakah Anda suka artikel kami? Ingin melihat materi yang lebih menarik? Dukung kami dengan melakukan pemesanan atau merekomendasikannya kepada teman-teman Anda, diskon 30% untuk pengguna Habr pada analog unik dari server entry-level yang kami temukan untuk Anda: Seluruh kebenaran tentang VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps dari $ 20 atau bagaimana membagi server? (opsi tersedia dengan RAID1 dan RAID10, hingga 24 core dan hingga 40GB DDR4).

VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps hingga Desember secara gratis ketika membayar untuk jangka waktu enam bulan, Anda dapat memesan di sini .

Dell R730xd 2 kali lebih murah? Hanya kami yang memiliki 2 x Intel Dodeca-Core Xeon E5-2650v4 128GB DDR4 6x480GB SSD 1Gbps 100 TV dari $ 249 di Belanda dan Amerika Serikat! Baca tentang Cara Membangun Infrastruktur Bldg. kelas menggunakan server Dell R730xd E5-2650 v4 seharga 9.000 euro untuk satu sen?