Algumas idéias nascem brilhantemente e morrem rapidamente devido à complexidade, custo ou mesmo implementação desnecessária. Tubarões assassinos com instalações a laser na cabeça - parece muito legal, muito complicado e incrivelmente ridículo. No entanto, algumas idéias em sua implementação prometem, se não "montanhas douradas", pelo menos um pote de ouro. Isso também se aplica a computadores quânticos, que prometem ser super poderosos, super rápidos e muito eficientes em termos energéticos. Parece tentador, certo? Muitos cientistas pensam da mesma maneira. A implementação da computação quântica requer a solução de muitos problemas. E hoje vamos nos familiarizar com um estudo em que os cientistas decidiram melhorar os indicadores de velocidade criando o chamado híbrido qubit. O que é, em que consiste e como funciona, aprendemos com o relatório do grupo de pesquisa. Vamos lá
Base de estudoPara deixar claro para todos, os cientistas enfatizam principalmente vários aspectos que precedem seu estudo. Em primeiro lugar, são qubits de rotação única em pontos quânticos semicondutores, que podem fornecer um nível incrível de precisão para portas quânticas de um qubit de até 99,99%. Em segundo lugar, estes são portões de dois qubit com um longo tempo de coerência.
Um portão quântico * é um elemento lógico que converte o estado de entrada de um qubit no estado de saída de acordo com uma determinada lei.
O problema é que o processo de inicialização e a leitura real dos qubits seguem uma ordem de magnitude mais lenta que o processo de controle. E isso afeta extremamente negativamente a implementação de protocolos baseados em medições. Isso inclui correção de erros.
Mas isso já parece deprimente, mas não para nossos pesquisadores. Eles observam que um qubit de singlet tripleto incorporado em um subespaço de dois giros pode ter alta precisão e alta velocidade. São esses elementos que são a base do sistema híbrido através do qual os cientistas foram capazes de realizar a porta quântica da fase controlada a uma velocidade de 5,5 nanossegundos, o que é várias vezes mais rápido que o tempo de decomposição.
Dephasing * é um mecanismo para extrair características clássicas de sistemas quânticos. Refere-se ao processo de atenuação da coerência de um sistema quântico.
Os principais, por assim dizer, detalhes de um sistema híbrido (CPHASE) são dois tipos de qubits, cada um com suas próprias vantagens e desvantagens: qubits Loss-DiVinsenzo (daqui em diante LD) e qubits singlet-tripletos (daqui em diante ST).
Nos qubits LD, a porta quântica de dois qubit é bastante rápida, pois se concentra nos processos de troca entre rotações adjacentes. Mas os qubits ST são muito mais lentos, uma vez que são limitados por um acoplamento dipolo fraco.
Nos processos de inicialização e leitura, a situação está mudando radicalmente. Os qubits LD ficam mais lentos devido ao tunelamento seletivo. E os STs são muito mais rápidos devido ao princípio de Pauli.
Portanto, temos dois tipos de qubits que se mostram perfeitamente em certos processos. Se você combinar sua vantagem em um sistema híbrido, poderá obter cálculos quânticos mais rápidos e precisos. E para isso é necessário criar uma interface de conexão entre eles, o que os cientistas fizeram em suas pesquisas. Vamos descobrir o sucesso do trabalho deles.
Resultados da pesquisa
Imagem Nº 1Na Figura
1a, vemos como os qubits LD e ST foram implementados em um ponto quântico triplo (TQD). O qubit LD é formado no ponto esquerdo e o ST está localizado nos outros dois.
Para obter um controle coerente e ressonante sobre o qubit LD, os cientistas adicionaram um micro-ímã ao lado do TQD. Isso foi realizado através da ressonância elétrica de spin dipolo (EDSR), um método de controle de momentos magnéticos em um sistema através de efeitos mecânicos quânticos, como o acoplamento spin-órbita.
Também possibilitou aumentar a diferença na energia de Zeeman entre os pontos central e direito em comparação com a interação de troca.
A energia Zeeman * é a energia potencial externa de rotações em um campo magnético.
Assim, o auto-estatuto do qubit ST nesses pontos se torna | ↑ ↓⟩ e | ↓ ↑⟩, em vez do singleto | S⟩ e trigêmeo | T⟩. Então, um campo magnético externo de 3.166 T (Tesla) foi aplicado, o que nos permitiu separar os estados do qubit LD pela energia de Zeeman e separar os estados tripletos polarizados | ↑ ↓⟩ e | ↓ ↑⟩ qubits ST dos estados computacionais.
Esquema do refrigerador de dissolução ( Fonte para aqueles que desejam se familiarizar com os princípios de operação deste dispositivo com mais detalhes).O experimento em si foi realizado em um refrigerador de diluição especial a uma temperatura de 120 mK (milikelvin). As manipulações com qubits ocorreram no estado de carga (1,1,1), inicialização em (1,0,1) e leitura em (1,0,2).
(N, N, N) * - o número de elétrons dentro de cada um dos pontos (esquerda, centro e direita).
Para calibrar os processos de inicialização, controle e leitura, foram realizadas medidas de mudanças no tempo de coerência para cada qubit. Para reduzir a interação de troca entre qubit, os cientistas mudaram drasticamente o nível de energia dos estados de carga (1,1,1) e (2,0,1).
Ao observar o qubit LD, a oscilação de Rabi com uma frequência de 10 MHz (
1d ) foi revelada em função do tempo de pulso de microondas (
1e ). No qubit ST, observou-se uma precessão entre | ↑ ↓⟩ e | ↓ ↑⟩ (
1f ).
A Figura
1c ilustra o processo de ligação de dois qubits entre si através da interação de troca entre os pontos quânticos esquerdo e central.
O sistema de dois qubit foi operado de acordo com a seguinte condição:
E Z ∆ E ST Z , ∆E QQ Z ≫ J QQ ≫ J ST , em que:
E
Z - energia Zeeman;
STE
ST Z é a diferença da energia Zeeman entre os pontos direito e central;
∆E
QQ Z é a diferença da energia Zeeman entre os pontos esquerdo e central;
J
QQ - troca de interação entre os pontos esquerdo e central;
J
ST - troca de interação entre os pontos direito e central.
Nesse caso, o hamiltoniano do sistema será o seguinte:
onde ^ σ
LD z e ^ σ
ST z são os operadores z de Pauli para qubits LD e ST, respectivamente.
Imagem No. 2Antes de testar uma válvula de dois qubit, como um exemplo real de um sistema híbrido, os cientistas calibraram a força da interação entre qubit e sua variabilidade, manipulando os níveis de potência.
A interação macho-qubit no estado pulsado foi controlada pela alteração da energia entre os estados de carga (2,0,1) e (1,1,1) (
2b ). E para evitar perdas nos estados de computação do qubit ST, a interação de troca entre qubit foi ativada e desativada adiabaticamente pela introdução de alterações lineares de tensão (máximo de 24 nanossegundos).
A precessão coerente do qubit ST foi medida repetindo os estados pulsados de D a H (imagem nº 2) sem inicializar, monitorar e medir o qubit LD, o que transformou o último em uma mistura de | ↑ ↓⟩ e | ↓ ↑⟩ em ordem aleatória.
A Figura
2b mostra em detalhes o circuito quântico usado no experimento para demonstrar o controle sobre a frequência de precessão do qubit ST através do estado de entrada do qubit LD. Usando | ↑ ↓⟩ ou | ↓ ↑⟩ como estado inicial, foi obtida a precessão do ST (
2e ,
2f ).
Imagem No. 3A Figura
3a mostra a dependência do tempo de inicialização da fase ϕσLD, no gráfico
3b a fase controlada ϕ
C = ϕ
| ↓〉 - ϕ
| ↑〉 já
é mostrada.
Observações mostraram que o tempo necessário para a válvula CPHASE testada pode ser de 5,5 ns. No entanto, o tempo obtido pelo método da máxima verossimilhança foi de 211 ns. Os cientistas atribuem isso ao fato de que o menor tempo de coleta de dados obtido aqui "corta" o componente de baixa frequência do espectro de ruído.
Imagem No. 4Os cientistas demonstraram ainda que a válvula CPHASE é capaz de operar absolutamente corretamente, mesmo ao introduzir estados de entrada arbitrários de um qubit LD. A Figura
4a mostra o circuito quântico usado para isso, no qual o tempo de implementação é fixo para satisfazer a condição ϕ
C = π. Neste caso, o estado inicial coerente LD de um qubit com σLD z arbitrário é preparado por meio de ressonância elétrica de spin dipolar.
Para um conhecimento mais detalhado das nuances do estudo (métodos, cálculos, fórmulas e observações), recomendo fortemente que você analise o
relatório dos cientistas e
materiais adicionais .
EpílogoNão há limite para a perfeição. Essa afirmação, como uma piada de barba, já foi ouvida centenas de vezes, mas continua sendo relevante. Embora os cálculos quânticos nos prometam um mundo novo e brilhante, sua implementação requer bastante esforço, pesquisa e solução de problemas.
No entanto, este estudo aproxima a implementação da computação quântica em um nível prático, um passo à frente da realidade. Usar as vantagens de diferentes tipos de qubits em um sistema híbrido nos permite alcançar não apenas alta precisão dos processos quânticos, mas também uma velocidade suficientemente alta de sua execução. E essa combinação sempre teve e será importante, quaisquer que sejam os próprios cálculos.
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