Lebih cepat dan lebih akurat: sistem hibrida dari qubit heterogen

Beberapa ide lahir dengan cerah dan cepat mati karena kerumitan, biaya, atau bahkan implementasi yang tidak perlu. Hiu pembunuh dengan instalasi laser di kepala - kedengarannya sangat keren, sangat rumit dan sangat konyol. Namun, beberapa ide dalam implementasinya menjanjikan jika bukan "gunung emas", maka setidaknya pot emas. Ini juga berlaku untuk komputer kuantum, yang menjanjikan super kuat, super cepat, dan sangat hemat energi. Kedengarannya menggoda, bukan? Begitu banyak ilmuwan berpikir dengan cara yang sama. Penerapan komputasi kuantum membutuhkan penyelesaian banyak masalah. Dan hari ini kita akan berkenalan dengan sebuah studi di mana para ilmuwan memutuskan untuk meningkatkan indikator kecepatan dengan menciptakan apa yang disebut hybrid qubit. Apa itu, terdiri dari apa dan bagaimana kerjanya, kita belajar dari laporan kelompok penelitian. Ayo pergi.

Dasar studi

Untuk memperjelas semua orang, para ilmuwan terutama menekankan beberapa aspek yang mendahului penelitian mereka. Pertama, ini adalah qubit putaran tunggal dalam titik kuantum semikonduktor, yang dapat memberikan tingkat akurasi luar biasa untuk gerbang satu-qubit kuantum hingga 99,99%. Kedua, ini adalah gerbang dua-qubit dengan waktu koherensi yang panjang.

Gerbang kuantum * adalah elemen logis yang mengubah status input qubit ke status output menurut hukum tertentu.

Masalahnya adalah bahwa proses inisialisasi dan pembacaan aktual qubit menghasilkan urutan besarnya lebih lambat dari proses kontrol. Dan ini sangat negatif mempengaruhi implementasi protokol berdasarkan pengukuran. Ini termasuk koreksi kesalahan.

Tapi ini sudah terdengar menyedihkan, tetapi tidak untuk peneliti kami. Mereka mencatat bahwa qubit singlet-triplet yang tertanam dalam subruang dua putaran dapat memiliki akurasi tinggi dan kecepatan tinggi. Unsur-unsur inilah yang menjadi dasar dari sistem hibrida yang melaluinya para ilmuwan dapat mewujudkan gerbang kuantum dari fase terkontrol pada kecepatan 5,5 nanodetik, yang beberapa kali lebih cepat daripada waktu dephasing.

Dephasing * adalah mekanisme untuk mengekstraksi fitur klasik dari sistem kuantum. Mengacu pada proses pelemahan koherensi sistem kuantum.

Jadi rincian utama dari sistem hybrid (CPHASE) adalah dua jenis qubit, masing-masing memiliki kelebihan dan kekurangannya sendiri: qubit Loss-DiVinsenzo (selanjutnya LD) dan qubit singlet-triplet (selanjutnya ST).

Dalam LD qubit, gerbang kuantum dua qubit agak cepat, karena berkonsentrasi pada proses pertukaran antara putaran yang berdekatan. Tetapi ST qubit jauh lebih lambat, karena mereka dibatasi oleh kopling dipol yang lemah.

Dalam proses inisialisasi dan membaca, situasinya berubah secara radikal. Qubit LD menjadi lebih lambat karena tunneling selektif-spin. Dan ST jauh lebih cepat karena prinsip Pauli.

Dengan demikian, kami memiliki dua jenis qubit yang menunjukkan diri mereka dengan sempurna dalam proses tertentu. Jika Anda menggabungkan keunggulan mereka dalam satu sistem hybrid, Anda bisa mendapatkan perhitungan kuantum yang lebih cepat dan lebih akurat. Dan untuk ini perlu untuk membuat antarmuka penghubung di antara mereka, yang dilakukan para ilmuwan dalam penelitian mereka. Mari kita cari tahu seberapa sukses pekerjaan mereka.

Hasil penelitian


Gambar No. 1

Pada Gambar 1a, kita melihat bagaimana LD dan ST qubit diimplementasikan pada triple quantum dot (TQD). LD qubit terbentuk di titik kiri, dan ST terletak di dua lainnya.

Untuk mencapai kontrol yang koheren dan resonansi atas LD qubit, para ilmuwan menambahkan mikromagnet di sebelah TQD. Ini dicapai melalui resonansi spin dipol listrik (EDSR), sebuah metode untuk mengendalikan momen magnetik dalam suatu sistem melalui efek mekanika kuantum seperti kopling orbit-spin.

Itu juga memungkinkan untuk meningkatkan perbedaan energi Zeeman antara titik pusat dan kanan dibandingkan dengan interaksi pertukaran mereka.

Energi Zeeman * adalah energi potensial eksternal dari spin dalam medan magnet.

Dengan demikian, status eigen dari ST qubit pada titik-titik ini menjadi | ↑ ↓⟩ dan | ↓ ↑⟩, bukannya singlet | S⟩ dan triplet | T⟩. Kemudian, medan magnet eksternal 3,166 T (Tesla) diterapkan, yang memungkinkan kami untuk memisahkan status qubit LD oleh energi Zeeman dan untuk memisahkan status triplet terpolarisasi | ↑ ↓⟩ dan | ↓ ↑⟩ ST qubit dari status komputasi.


Skema kulkas pembubaran ( Sumber bagi mereka yang ingin berkenalan dengan prinsip-prinsip operasi perangkat ini secara lebih rinci).

Percobaan itu sendiri dilakukan dalam lemari es pengenceran khusus pada suhu 120 mK (millikelvin). Manipulasi dengan qubit terjadi pada status pengisian daya (1,1,1), inisialisasi pada (1,0,1), dan membaca pada (1,0,2).

(N, N, N) * - jumlah elektron di dalam masing-masing titik (kiri, tengah dan kanan).

Untuk mengkalibrasi proses inisialisasi, kontrol, dan membaca, pengukuran perubahan waktu koherensi untuk setiap qubit dilakukan. Untuk mengurangi interaksi pertukaran antar-qubit, para ilmuwan secara dramatis mengubah tingkat energi dari kondisi muatan (1,1,1) dan (2,0,1).

Ketika mengamati LD qubit, osilasi Rabi dengan frekuensi 10 MHz ( 1d ) terungkap sebagai fungsi waktu pulsa microwave ( 1e ). Di ST qubit, sebuah presesi diamati antara | ↑ ↓⟩ dan | ↓ ↑⟩ ( 1f ).

Gambar 1c menggambarkan proses menghubungkan dua qubit satu sama lain melalui interaksi pertukaran antara titik kuantum kiri dan pusat.

Sistem dua-qubit dioperasikan sesuai dengan kondisi berikut:

E _Z ≫ STE ^ST _Z , ∆E ^QQ _Z ≫ J ^QQ ≫ J ^ST , di mana:

E _Z - energi Zeeman;
STE ^ST _Z adalah perbedaan energi Zeeman antara titik kanan dan tengah;
QE ^QQ _Z adalah perbedaan energi Zeeman antara titik kiri dan pusat;
^JQQ - pertukaran interaksi antara titik kiri dan pusat;
J ^ST - pertukaran interaksi antara titik kanan dan tengah.

Dalam hal ini, Hamiltonian dari sistem adalah sebagai berikut:



di mana ^ σ ^LD _z dan ^ σ ^ST _z adalah operator-z Pauli untuk qubit LD dan ST, masing-masing.


Gambar No. 2

Sebelum menguji katup dua-qubit, sebagai contoh aktual dari sistem hybrid, para ilmuwan mengkalibrasi kekuatan interaksi antar-qubit dan variabilitasnya dengan memanipulasi level daya.

Interaksi laki-qubit dalam keadaan berdenyut dikontrol dengan mengubah energi antara kondisi pengisian (2,0,1) dan (1,1,1) ( 2b ). Dan untuk mencegah kerugian dalam status komputasi ST qubit, interaksi pertukaran antar-qubit dihidupkan dan dimatikan secara adiabatik dengan memperkenalkan perubahan tegangan linier (maksimum 24 nanodetik).

Presesi koheren dari ST qubit diukur dengan mengulangi keadaan berdenyut dari D ke H (gambar No. 2) tanpa menginisialisasi, memantau, dan mengukur LD qubit, yang menjadikan yang terakhir ini campuran | ↑ ↓⟩ dan | ↓ ↑⟩ dalam urutan acak.

Gambar 2b menunjukkan secara rinci sirkuit kuantum yang digunakan dalam percobaan untuk menunjukkan kontrol atas frekuensi presesi ST qubit melalui status input LD qubit. Dengan menggunakan | ↑ ↓⟩ atau | ↓ ↑⟩ sebagai kondisi awal, presesi ST ( 2e , 2f ) diperoleh.


Gambar No. 3

Gambar 3a menunjukkan ketergantungan waktu inisialisasi pada fase ϕσLD, pada grafik 3b fase terkontrol ϕ _C = ϕ _{| ↓〉} - ϕ _{| ↑〉} sudah ditunjukkan.

Pengamatan telah menunjukkan bahwa waktu yang dibutuhkan untuk katup CPHASE yang diuji bisa 5,5 ns. Namun, waktu yang diperoleh dengan metode kemungkinan maksimum adalah 211 ns. Para ilmuwan menghubungkan ini dengan fakta bahwa waktu pengumpulan data yang lebih pendek yang diperoleh di sini "memotong" komponen frekuensi rendah dari spektrum kebisingan.


Gambar No. 4

Para ilmuwan lebih lanjut menunjukkan bahwa katup CPHASE mampu beroperasi dengan benar bahkan ketika memperkenalkan keadaan input sembarang dari LD qubit. Gambar 4a menunjukkan sirkuit kuantum yang digunakan untuk ini, di mana waktu implementasi ditetapkan untuk memenuhi kondisi ϕ _C = π. Dalam hal ini, keadaan awal yang koheren LD dari qubit dengan arbitrary σLD z disiapkan dengan cara resonansi putaran dipol listrik.

Untuk seorang kenalan yang lebih mendetail dengan nuansa penelitian (metode, perhitungan, rumus, dan pengamatan), saya sangat menyarankan agar Anda melihat laporan para ilmuwan dan bahan tambahan untuk itu.

Epilog

Tidak ada batasan untuk kesempurnaan. Pernyataan ini, seperti lelucon berjanggut, sudah terdengar ratusan kali, tetapi tetap relevan. Meskipun perhitungan kuantum menjanjikan dunia baru yang cerah, implementasinya membutuhkan sedikit usaha, penelitian, dan penyelesaian masalah.

Namun, penelitian ini membawa implementasi komputasi kuantum pada tingkat praktis selangkah lebih dekat dengan kenyataan. Menggunakan keunggulan dari berbagai jenis qubit dalam satu sistem hibrida memungkinkan kita untuk mencapai tidak hanya akurasi proses kuantum yang tinggi, tetapi juga kecepatan eksekusi yang cukup tinggi. Dan kombinasi seperti itu selalu dan akan berpengaruh, apa pun perhitungannya.

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 musim semi gratis ketika membayar selama setengah tahun, 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 kelas menggunakan server Dell R730xd E5-2650 v4 seharga 9.000 euro untuk satu sen?