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