Кубиты на сильных стимуляторах

Международная группа ученых продемонстрировала скачок в сохранении квантовой когерентности спиновых кубитов квантовых точек в рамках глобального продвижения практических квантовых сетей и квантовых компьютеров.



Эти технологии будут иметь огромное значение для широкого спектра отраслей промышленности и научных исследований: от безопасности передачи информации, поиска материалов и химических веществ с новыми свойствами до измерений фундаментальных физических явлений, требующих точной синхронизации времени между датчиками.



Спин-фотонные интерфейсы являются элементарными строительными блоками для квантовых сетей, которые позволяют преобразовывать стационарную квантовую информацию (такую как квантовое состояние иона или твердотельного спинового кубита) в свет, а именно фотоны, которые могут распространяться на большие расстояния. Основная задача состоит в том, чтобы найти интерфейс, который одновременно хорошо хранит квантовую информацию и эффективно преобразует ее в свет. Оптически активные полупроводниковые квантовые точки являются самым эффективным спин-фотонным интерфейсом, известным на сегодняшний день, но увеличение времени хранения информации более нескольких микросекунд озадачило физиков, несмотря на десятилетние исследования. Теперь исследователи из Кембриджского университета, Университета Линца и Университета Шеффилда показали, что существует простое материальное решение этой проблемы, которое улучшает хранение квантовой информации за пределы сотен микросекунд.



Квантовые точки – это кристаллические структуры, состоящие из многих тысяч атомов. Ядра каждого из этих атомов имеют магнитный дипольный момент, который связывается с электроном квантовой точки и может привести к потере квантовой информации, хранящейся в электронном кубите. Вывод исследовательской группы, о котором сообщается в журнале Nature Nanotechnology, заключается в том, что в устройстве, построенном из полупроводниковых материалов с одинаковым параметром решетки, ядра «чувствовали» одну и ту же среду и вели себя в унисон. В результате появилась возможность отфильтровать этот ядерный шум и добиться улучшения времени хранения данных почти на два порядка.



«Это совершенно новый режим для оптически активных квантовых точек, когда мы можем отключить взаимодействие с ядрами и снова и снова перенаправлять спин электрона, чтобы сохранить его квантовое состояние», – говорит Клэр Ле Галл из Кавендишской лаборатории Кембриджа, возглавлявшая проект. В своей работе мы продемонстрировали сотни микросекунд, но на самом деле, теперь, когда мы находимся в этом режиме, мы знаем, что гораздо большее время когерентности находится в пределах досягаемости«. Для спинов в квантовых точках короткое время когерентности было самым большим препятствием для применения, и этот результат предлагает ясное и простое решение этой проблемы».



Впервые исследуя стомикросекундные временные масштабы, исследователи были приятно удивлены тем, что электрон видит только шум от ядер, в отличие, скажем, от электрического шума в устройстве. Это действительно отличная позиция, поскольку ядерный ансамбль является изолированной квантовой системой, а когерентный электрон станет воротами к квантовым явлениям в большом ядерном спиновом ансамбле.



Еще одна вещь, которая удивила исследователей, – это «звук», который издавали ядра. Он оказался не таким гармоничным, как предполагалось вначале, и есть возможности для дальнейшего улучшения квантовой когерентности системы путем дальнейшей инженерии материалов.



«Когда мы начали работать с системой материалов с подобранной решеткой, использованной в данной работе, получить квантовые точки с четко определенными свойствами и хорошим оптическим качеством было нелегко», – говорит Армандо Растелли, соавтор данной работы из Университета Линца. «Очень приятно видеть, что первоначально любопытная линия исследования довольно «экзотической» системы и настойчивость опытных членов команды Сантану Манна и Саймона Ковре да Силва привели к созданию устройств, лежащих в основе этих впечатляющих результатов. Теперь мы знаем, на что годятся наши наноструктуры, и мы в восторге от перспективы дальнейшей разработки их свойств вместе с нашими коллегами».



«Одна из самых захватывающих вещей в этом исследовании – укрощение сложной квантовой системы: сотни тысяч ядер, сильно связанных с хорошо контролируемым спином электрона», – объясняет аспирант Кавендиша Леон Запорски – первый автор статьи. «Большинство исследователей решают проблему изоляции кубита от шума путем удаления всех взаимодействий. Их кубиты становятся похожими на усыпленных котов Шредингера, которые едва реагируют на то, что кто-то дергает их за хвост. Наша «кошка» находится на сильных стимуляторах, что – на практике – означает, что мы можем веселиться с ней больше».



«Квантовые точки теперь сочетают в себе высокую фотонную квантовую эффективность с большим временем спиновой когерентности», – объясняет профессор Мете Ататюре, соавтор данной работы. «В ближайшем будущем мы предполагаем, что эти устройства позволят создавать запутанные световые состояния для всефотонных квантовых вычислений и позволят проводить фундаментальные эксперименты по квантовому управлению ансамблем ядерных спинов».

University of Cambridge

Квантовая наука способна произвести революцию в современных технологиях, создав более эффективные компьютеры, коммуникационные и сенсорные устройства. Однако в достижении этих технологических целей остаются проблемы, включая то, как точно манипулировать информацией в квантовых системах.

В работе, опубликованной в журнале Nature Physics, группа исследователей из Рочестерского университета, включая Джона Николя, доцента физики, описывает новый метод управления спином электронов в кремниевых квантовых точках – крошечных, наноразмерных полупроводниках с замечательными свойствами – как способ манипулирования информацией в квантовой системе.

«Результаты исследования дают новый многообещающий механизм когерентного управления кубитами на основе спина электрона в полупроводниковых квантовых точках, что может проложить путь к созданию практического квантового компьютера на основе кремния», – говорит Никол.

Использование квантовых точек в качестве кубитов

Обычный компьютер состоит из миллиардов транзисторов, называемых битами. Квантовые компьютеры, с другой стороны, основаны на квантовых битах, также известных как кубиты. В отличие от обычных транзисторов, которые могут быть либо «0» (выключены), либо «1» (включены), кубиты подчиняются законам квантовой механики и могут быть одновременно и «0», и «1».

Ученые давно рассматривали возможность использования кремниевых квантовых точек в качестве кубитов; управление спином электронов в квантовых точках позволило бы манипулировать передачей квантовой информации. Каждый электрон в квантовой точке обладает внутренним магнетизмом, подобно крошечному магниту. Ученые называют это «спин электрона» – магнитный момент, связанный с каждым электроном – потому что каждый электрон представляет собой отрицательно заряженную частицу, которая ведет себя так, как будто она быстро вращается, и именно это эффективное движение порождает магнетизм.

Спин электрона является перспективным кандидатом для передачи, хранения и обработки информации в квантовых вычислениях, поскольку он обеспечивает длительное время когерентности и высокую точность затвора, а также совместим с передовыми технологиями производства полупроводников. Время когерентности кубита – это время до потери квантовой информации из-за взаимодействия с шумной средой; большая когерентность означает большее время для выполнения вычислений. Высокая точность затвора означает, что квантовая операция, которую пытаются выполнить исследователи, будет выполнена именно так, как они хотят.

Однако одной из основных проблем при использовании кремниевых квантовых точек в качестве кубитов является управление спином электрона.

Управление спином электрона

Стандартным методом управления спином электрона является электронный спиновый резонанс (ЭСР), который предполагает применение осциллирующих радиочастотных магнитных полей к кубитам. Однако этот метод имеет ряд ограничений, включая необходимость генерировать и точно контролировать осциллирующие магнитные поля в криогенной среде, в которой работает большинство электронных спиновых кубитов. Обычно для генерации осциллирующих магнитных полей исследователи пропускают ток через провод, при этом выделяется тепло, что может нарушить криогенную среду.

Никол и его коллеги описали новый метод управления спином электрона в кремниевых квантовых точках, который не зависит от осциллирующих электромагнитных полей. Метод основан на явлении, называемом «спин-валлевая связь», которое возникает, когда электроны в кремниевых квантовых точках переходят между различными спиновыми и валентными состояниями. В то время как спиновое состояние электрона относится к его магнитным свойствам, состояние долины относится к другому свойству, связанному с пространственным профилем электрона.

Исследователи применяют импульс напряжения для использования эффекта связи спин-долина и манипулируют спиновым и долинным состояниями, управляя спином электрона.

«Этот метод когерентного управления с помощью связи спин-долина позволяет осуществлять универсальный контроль над кубитами и может быть выполнен без использования осциллирующих магнитных полей, что является ограничением ЭПР», – говорит Никол. «Это открывает нам новый путь для использования кремниевых квантовых точек для манипулирования информацией в квантовых компьютерах».

University of Rochester

Реверсивные квантовые компьютеры: Новый взгляд на криптографию

Эра необратимых гейтов и ограничения классических вычислений

Традиционные вычисления основаны на микропроцессорах, которые выполняют различные логические операции, называемые стробами. Одной из простейших операций является операция AND, которая объединяет два бита в один выход. Этот механизм лежит в основе классических компьютеров, и он по своей сути необратим, что означает невозможность выполнения этих операций в обратном направлении. Чтобы проиллюстрировать эту концепцию, рассмотрим операцию умножения 2 * 2 = 4. Обратное выполнение этой операции не является простым, так как 4 может получиться из 2 * 2, 1 * 4 или 4 * 1. Это ограничение препятствует возможности факторизации больших чисел, что является критически важным компонентом криптографии.

Внедрение обратимых алгоритмов с помощью квантовых вычислений

Исследователи с кафедры теоретической физики Университета Инсбрука и квантового подразделения ParityQC обнаружили метод обратимых алгоритмов с помощью квантовых компьютеров. Они начали с классической логической схемы, предназначенной для перемножения двух чисел. При вводе двух целых чисел схема возвращает их произведение. Хотя эта схема построена из необратимых операций, логика схемы может быть закодирована в основных состояниях квантовой системы. Такой подход позволяет интерпретировать умножение и факторизацию как проблемы, лежащие на поверхности земли, и решать их с помощью методов квантовой оптимизации.

Строительные блоки обратимых квантовых вычислений

Краеугольный камень этого прорыва лежит в кодировании основных компонентов схемы умножения, включая ворота AND, половинные и полные сумматоры. Это кодирование достигается путем использования архитектуры четности в качестве проблемы основного состояния на коллекции взаимодействующих спинов. Кодирование позволяет построить всю схему из повторяющихся подсистем, расположенных на двумерной сетке. Соединяя несколько подсистем, можно решать более крупные задачи. Квантовые методы ускоряют процесс поиска по сравнению с классическим методом грубой силы, который проверяет все возможные факторы. Чтобы найти основное состояние и решить проблему оптимизации, нет необходимости искать весь энергетический ландшафт; вместо этого более глубокие долины могут быть достигнуты путем «туннелирования».

Проект нового типа квантового компьютера

Это новаторское исследование дает план нового типа квантового компьютера, способного решить проблему факторизации, фундаментальный аспект современной криптографии. Проект основан на архитектуре четности, разработанной в Университете Инсбрука, и совместим со всеми существующими платформами квантовых вычислений.

Публикации и финансирование

Результаты этого инновационного исследования были недавно опубликованы в журнале Nature Communications Physics. Исследование получило финансовую поддержку от Австрийского научного фонда FWF, Европейского союза, Австрийского агентства по продвижению исследований FFG и других организаций.

Заключение

Разработка обратимых алгоритмов с помощью квантовых вычислений открывает новый взгляд на криптографию и факторизацию больших чисел. Кодируя основные строительные блоки схемы умножения с помощью архитектуры четности, исследователи проложили путь для нового поколения квантовых компьютеров. Этот инновационный подход способен изменить область криптографии и заложить основу для дальнейшего развития технологии квантовых вычислений.

University of Innsbruck

Симметричные графеновые квантовые точки: будущее квантовых вычислений

Развитие квантовых вычислений способно произвести революцию в мире информационных технологий, и симметричные графеновые квантовые точки становятся ключевым компонентом в гонке за создание совершенного квантового процессора. Исследователи из Форшунгсцентра Юлих и Университета RWTH Аахен добились значительных успехов в этой области, показав, что двухслойный графен обладает уникальными свойствами, которые делают его идеальным кандидатом для размещения кубитов в будущих квантовых компьютерах.

Уникальные свойства двухслойного графена

Двухслойный графен, представляющий собой двухслойную форму графена, является интригующим полупроводниковым материалом благодаря своим необычным и полезным свойствам. Он имеет общие характеристики с однослойным графеном и обладает дополнительными свойствами, которые делают его особенно привлекательным для квантовых технологий. Одним из таких свойств является перестраиваемая полоса пропускания, которая может быть изменена внешним электрическим полем от 0 до примерно 120 мэВ. Этот зазор может быть использован для удержания носителей заряда в определенных областях, образуя квантовые точки, которые могут захватывать отдельные электроны или дырки.

Двойные квантовые точки: прорыв в квантовых вычислениях

Исследовательская группа из Форшунгсцентра Юлих и Университета RWTH Aachen успешно создала двойную квантовую точку – инновационную конфигурацию, состоящую из двух противоположных квантовых точек, каждая из которых содержит электрон и дырку с почти идеальными спиновыми свойствами, которые зеркально отражают друг друга. Это революционное достижение открыло новые возможности в области квантовых вычислений и может привести к созданию более эффективных и мощных квантовых процессоров.

Применение и последствия симметричных графеновых квантовых точек

Уникальная симметрия двойных квантовых точек в двухслойном графене имеет далеко идущие последствия для квантовых вычислений. Симметрия остается почти идеальной даже при пространственном разделении электронов и дырок, что позволяет соединять кубиты на больших расстояниях. Кроме того, симметрия приводит к созданию надежного механизма блокировки, который может быть использован для высокоточного считывания спинового состояния квантовой точки.

Потенциальные возможности применения симметричных графеновых квантовых точек выходят за рамки квантовых вычислений. Их можно использовать для создания одночастичных терагерцовых детекторов и для соединения квантовых точек из двухслойного графена со сверхпроводниками – двумя системами, в которых электронно-дырочная симметрия играет жизненно важную роль. Эти гибридные системы могут способствовать разработке эффективных источников запутанных пар частиц или искусственных топологических систем, что еще на один шаг приблизит нас к созданию топологических квантовых компьютеров.

Будущие перспективы и сотрудничество

Результаты работы исследовательской группы из Форшунгсцентра Юлих и Университета RWTH Aachen были опубликованы в известном журнале Nature. Данные и коды, использованные для анализа, доступны в репозитории Zenodo. Финансирование исследования осуществлялось различными организациями, включая программу исследований и инноваций Европейского союза «Горизонт 2020" (флагман графена), Европейский исследовательский совет (ERC) и Немецкий исследовательский фонд (DFG) в рамках кластера передового опыта «Материя света для квантовых вычислений» (ML4Q).

Заключение

Исследования, проведенные в Форшунгсцентре Юлих и Университете RWTH Аахен, продемонстрировали огромный потенциал симметричных графеновых квантовых точек для квантовых вычислений. Уникальные свойства двухслойного графена и революционное создание двойных квантовых точек открыли новые пути для разработки квантовых процессоров, терагерцовых детекторов и гибридных систем. По мере того, как наше понимание этих материалов и их применения продолжает расти, мы приближаемся к реализации всего потенциала квантовых вычислений и их влияния на мир информационных технологий.

Forschungszentrum Juelich