Processador quântico baseado em ressonância de rotação e manipulações com um sistema singlet-tripleto

Oh, essas tecnologias quânticas. Eles encheram as mentes dos cientistas de todo o mundo, já que o Pokemon GO uma vez encheu as mentes dos usuários de smartphones. A comparação certamente não é a melhor, porque a primeira se beneficiará, a segunda trará multidões de pessoas nos parques, mas não por causa do ar fresco ou de um piquenique. Hoje vamos entender um estudo que visa criar um processador quântico escalável que pode encontrar e corrigir erros. Para que esse processador funcione, é necessário controlar muitos qubits (bits quânticos) em paralelo, enquanto o processo de detecção de erros entre os qubits selecionados continua. Ou seja, fazemos malabarismos com uma mão e com a outra mostramos truques de cartas. A tarefa, para dizer o mínimo, não é fácil. Vamos descobrir como os cientistas da Austrália conseguiram realizar uma idéia tão complexa na prática. Vamos lá

Base de estudo

Para realizar a operação efetiva de um novo tipo de processador, os cientistas tiveram que recorrer aos fenômenos físicos mais populares, a ressonância de rotação. Eles acreditam que isso pode ser a base para a implementação do controle biaxial paralelo. E se tudo isso for suportado pela técnica de bloqueio giratório Pauli * , será possível implementar medidas locais da paridade de detecção de erros.

Princípio de Pauli * - na mecânica quântica, esse é o princípio segundo o qual dois férmions idênticos não podem estar no mesmo estado quântico ao mesmo tempo.

Até agora, os estudos baseados na física quântica eram mais inclinados à ressonância de giro único ou controle / medição usando tensão em uma base de giro simples e tripleto de giro duplo.

Multiplicidade * é uma caracterização do giro de um átomo ou moléculas. Por exemplo, um singleto é um sistema de duas partículas cuja rotação total é 0.

Neste estudo, os cientistas querem combinar os dois processos em um.

No campo da manipulação de qubits de rotação única em silício, o campo magnético ou elétrico nas frequências de microondas é mais frequentemente usado. Isso se deve ao fato de as tecnologias de microondas serem extremamente desenvolvidas, o que permite a implementação do controle biaxial de um qubit, alterando a fase. Simples, mas eficaz.

Nos métodos modernos, como o uso de tunelamento seletivo de rotação única em um reservatório eletrônico, existem algumas desvantagens, segundo os pesquisadores. Portanto, seu uso em sistemas de detecção de dispersão baseados em portas quânticas é ineficaz. Mas esse problema não pode ser deixado assim, porque os últimos têm uma propriedade excelente - os eletrodos podem operar em temperaturas mais altas em estruturas de qubit em larga escala, aumentando assim o limiar crítico de superaquecimento.

Mas com o bloqueio de rotação de Pauli, as coisas são muito melhores, pois essa técnica permite emparelhar dados no processo de detecção de erros e correção. Além disso, para controlar e manipular a estrutura de tripleto simples e tripleto de giro, são necessárias frequências de microondas significativamente mais baixas, o que pode reduzir bastante o tamanho físico de um possível dispositivo com base nessa tecnologia.


Estrutura do dispositivo

As Figuras 1a e 1b mostram em detalhes a estrutura do dispositivo experimental de um ponto quântico duplo com uma linha de transmissão de microondas, que foi baseada em um semicondutor de óxido metálico de ²⁸ Si (MOS).

É necessária uma linha de transmissão de microondas para gerar pulsos SET (transistor de elétron único). O dispositivo também possui um sensor SET, necessário para atingir a sensibilidade de disparo único, extremamente necessário para a leitura de dados de uma estrutura de trigêmeos simples. Os elétrons foram localizados em dois pontos quânticos (QD1 e QD2 nas imagens acima), aplicando uma tensão positiva aos portões quânticos (G1 e G2). Um reservatório eletrônico é formado sob a superfície do Si-SiO ₂ , influenciando positivamente a válvula ST, que também é a principal válvula SET.

Os resultados dos experimentos



A imagem acima mostra o diagrama de estabilidade de um sistema de pontos quânticos duplos (doravante denominado CT) na região carregada (N1, N2) durante a operação do dispositivo. Quando elétrons são colocados em um QD duplo, a interação de troca leva à divisão de energia entre os estados de spin singleto e tripleto. Esse processo pode ser controlado por pulsos elétricos direcionados aos portões quânticos mais próximos.

Também podemos observar as manifestações do bloqueio do spin de Pauli (daqui em diante SBP). Na transição das cargas de estado de (1, 1) para (0, 2), ocorre o tunelamento do elétron QD1 para o elétron QD2, mas somente se esses dois elétrons separados estiverem inicialmente no mesmo estado de rotação. Mas os estados trigêmeos são bloqueados devido à forte interação de troca no estado de carga (0, 2).

O processo de fixação ocorre devido a ligações assimétricas de dois pontos quânticos e um reservatório eletrônico. Como resultado disso, um estado de carga metaestável do reservatório de pontos quânticos é formado (1, 1) - (1, 2). O principal mecanismo desse processo é o tunelamento entre QD1, QD2 e o tanque.

(1, 1) - (1, 2) a transição é claramente perceptível, ao contrário do caso em que o sistema está inicialmente definido para carregar (0, 2). Nesse caso, é observado um estado singleto muito estável, associado a uma forte divisão de energia. Como resultado, áreas de PAS fixa não são observadas.

Uma característica importante da fixação do estado é que, devido a isso, a “visibilidade” aumenta de 70% para 98%, ou seja, a probabilidade de identificação incorreta é reduzida em cerca de 16 vezes para este dispositivo baseado em MOS de silício.


Dirigindo-se a um qubit individual através de ressonância de rotação.

A próxima etapa do experimento foi verificar a possibilidade de endereçamento para um cubo específico. Para isso, foi utilizado um campo magnético alternado com duração de pulso de ressonância de rotação de 25 μs (microssegundos). O nível de desafinação foi bastante alto (aproximadamente 4,2 GHz) e o campo magnético foi de 150 mT (militesla). O resultado da aplicação de tais parâmetros foi uma diminuição na visibilidade, um dos motivos da manifestação dos quais podem ser considerados erros na leitura dos dados.



O gráfico acima mostra os dados de todas as experiências. Os cientistas observam que, com a anti-interseção (0, 2) - (1, 1), quando o nível de desafinação é baixo, a divisão ocorre devido à conexão de troca. Mas em um alto nível de desafinação - devido ao efeito Zeeman, quando as linhas de espectros atômicos são divididas em um campo magnético.

Resultados dos Pesquisadores

A parte mais importante de seu trabalho, os pesquisadores chamam a possibilidade de analisar erros, que posteriormente os excluirão de futuros sistemas quânticos. A determinação de como certos erros afetam o sistema tornou-se possível através do uso do bloqueio de rotação e análise de vários modos de operação do dispositivo.



O gráfico acima mostra todos os erros associados ao processo de preparação e medição, que levam ao fato de que a visibilidade não pode exceder a marca de 98% (campo laranja no histograma).

Além dos erros acima, existem aqueles associados aos processos de transição de estados de carga (0, 2) → (1, 1) ou (1, 1) → (0, 2).

O erro mais significativo, segundo os cientistas, é que ocorre precisamente no momento da transmissão adiabática (processo termodinâmico dentro de um sistema macroscópico, quando não troca calor com o ambiente) de / para a área (1, 1).

É extremamente difícil transmitir toda a precisão deste estudo, para que aqueles que desejam se familiarizar com ele com mais detalhes possam ler o relatório do grupo de pesquisa, disponível aqui .

Epílogo

Pela primeira vez, os cientistas conseguiram combinar o controle de rotação única em um dispositivo de silício por meio de ressonância de rotação e leitura em uma estrutura de singlet-tripleto. Experimentos mostraram que o controle e a manipulação de sistemas tão complexos são bem possíveis. Os dispositivos que podem implementar completamente essas técnicas também poderão operar usando um campo magnético significativamente mais baixo e em temperaturas mais altas. Os cientistas pretendem continuar suas pesquisas para melhorar sua tecnologia, eliminando os erros o máximo possível ou encontrando maneiras de nivelá-los completamente.

Este estudo, em primeiro lugar, teve como objetivo entender se é possível, no futuro, criar sistemas em larga escala com base em tecnologias quânticas. Até agora, essas tecnologias foram consideradas a base de algo, por assim dizer, pequeno.

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