Ох уж эти квантовые технологии. Они заполонили умы ученых по всему миру, как Pokemon GO в свое время заполонил умы пользователей смартфонов. Сравнение конечно не самое хорошее, ибо первые принесут пользу, второе — принесло толпы людей в парках, но далеко не ради свежего воздуха или пикника. Сегодня мы будем разбираться в исследовании, нацеленом на создании масштабируемого квантового процессора, умеющего находить и исправлять ошибки.

Для работы такого процессора требуется контроль над множеством кубитов (квантовых битов) параллельно, пока протекает процесс обнаружения ошибок среди выбранных кубитов. То есть жонглируем одной рукой, а второй показываем карточные фокусы. Задача, мягко говоря, не из легких. Давайте же узнаем как ученые из Австралии смогли реализовать такой сложный замысел на практике. Поехали.

Основа исследования

Для того, чтобы реализовать эффективную работу нового типа процессоров, ученым пришлось обратиться к не самым популярным физическим явлениям, а именно к спиновому резонансу. Они считают, что именно это может стать фундаментом для реализации параллельного двухосевого управления. А если подкрепить все это методикой спиновой блокировки Паули*, то можно будет реализовать локальные измерения четности обнаружения ошибок.

Принцип Паули* — в квантовой механике это принцип, согласно которому два идентичных фермиона не могут находиться в одном квантовом состоянии одновременно.

Доселе исследования на базе квантовой физики больше склонялись к односпиновому резонансу или контролю/измерениям с применением напряжения в двухспиновой синглетной-триплетной основе.

Мультиплетность* — характеризация спина атома или молекул. К примеру, синглет — система из двух частиц, общий спин которых равен 0. В данном же исследовании ученые хотят объединить оба процесса в один.

В сфере манипуляций односпиновых кубитов в кремнии чаще всего применяется магнитное или электрическое поле на микроволновых частотах. Это связано с тем, что микроволновые технологии крайне развиты, что позволяет реализовать двухосевое управление кубита посредством изменения фазы. Просто, но эффективно.

В современных методах, таких как использование односпинового селективного туннелирования в электронный резервуар, имеются некоторые недостатки, как считают исследователи. Посему их применение в системах дисперсионного зондирования на базе квантовых вентилей малоэффективно. Но просто так оставить эту проблему нельзя, ибо последние обладают отличным свойством — электроды могут работать при более высоких температурах в крупномасштабных кубитовых структурах, тем самым критический порог перегрева сильно повышается.

А вот со спиновой блокировкой Паули дела обстоят гораздо лучше, так как эта методика позволяет выполнять парное считывание данных в процессе обнаружения ошибок и исправления. Кроме того, для управления и манипуляции двухспиновой синглетной-триплетной структуры нужны значительно более низкие микроволновые частоты, что позволяет сильно уменьшить физический размер возможного устройство на базе сей технологии.

Структура устройства.

На изображениях 1а и 1b детально показана структура экспериментального устройства двойной квантовой точки с микроволновой линией передачи, в основе которого был использован металл-оксид-полупроводник (МОП) 28Si.

Микроволновая линия передачи необходима для генерации SET (одноэлектронный транзистор) импульсов. В устройстве также присутствует SET датчик, необходимый для достижения однозарядной чувствительности, что крайне необходимо для считывания данных синглетной-триплетной структуры. Электроны были расположены в двух квантовых точках (QD1 и QD2 на изображениях выше) посредством применения положительного напряжения на квантовые вентили (G1 и G2). Электронный резервуар формируется под поверхностью Si-SiO2 посредством положительного смещения вентиля ST, который также является основным вентилем SET.

Результаты опытов

Изображение выше показывает диаграмму стабильности системы двойной квантовой точки (далее КТ) в заряженной области (N1, N2) при работе устройства. Когда электроны размещаются в двойной КТ, обменное взаимодействие приводит к энергетическому расщеплению между синглетным и триплетным спиновым состояниями. Контролировать этот процесс можно за счет электрических импульсов, нацеленных на ближайшие квантовые вентили.

Также мы можем наблюдать проявления спиновой блокировки Паули (далее СБП). При переходе зарядов состояния от (1, 1) к (0, 2) происходит туннелирование от электрона QD1 к электрону QD2, но только если эти два разделенных электрона изначально были в одном спиновом состоянии. А вот триплетные состояния блокированы за счет сильного обменного взаимодействия в зарядовом состоянии (0, 2).

Процесс фиксации происходит за счет асимметричных связей двух квантовых точек и электронного резервуара. В результате этого формируется метастабильное зарядовое состояние резервуара квантовой точки (1, 1)-(1, 2). Основным двигателем этого процесса является туннелирование между QD1, QD2 и резервуаром.

(1, 1)-(1, 2) переход хорошо заметен, в отличие от случая, когда изначально система настроена на заряд (0, 2). В таком случае наблюдается очень стабильное синглетное состояние, что связано с сильным расщеплением энергии. В результате областей фиксированных СБП не наблюдается.

Важной особенностью фиксации состояния является то, что за счет этого увеличивается «видимость» от 70% до 98%, то есть вероятность ошибочной идентификации снижается примерно в 16 раз для данного устройства на базе кремниевого МОП.

Адресация индивидуального кубита через спиновый резонанс.

Следующим этапом эксперимента была проверка возможности адресации к определенному кубику. Для этого было применено переменное магнитное поле с продолжительностью импульса спинового резонанса в 25 μс (микросекунд). Уровень расстройки был достаточно высок (примерно 4.2 ГГц), а магнитное поле составляло 150 мТл (миллитесла). Результатом применения таких параметров стало снижение видимости, одними из причин проявления которого можно считать ошибки в считывании данных.

На графике выше представлены данные всех экспериментов. Ученые отмечают, что при антипересечении (0, 2)-(1, 1), когда уровень расстройки низок, расщепление происходит за счет обменной связи. Но при высоком уровне расстройки — за счет эффекта Зеемана, когда линии атомных спектров расщепляются в магнитном поле.

Выводы исследователей

Самой важной частью своего труда исследователи называют возможность анализа ошибок, который позволит в дальнейшем исключить их из будущих квантовых систем. Определение того, как те или иные ошибки влияют на систему стало возможным за счет применения спиновой блокировки и анализа различных режимов работы устройства.

График выше показывает все ошибки, связанные с подготовкой и процессом измерения, которые приводят к тому, что видимость не может превысить отметку в 98% (оранжевое поле на гистограмме).

Помимо вышеуказанных ошибок есть и те, что связаны с процессами переходов зарядовых состояний (0, 2)→(1, 1) или (1, 1)→(0, 2).

Самой же значимой ошибкой, по мнению ученых, является та, что возникает именно в момент адиабатического (термодинамический процесс внутри макроскопической системы, когда она не обменивается теплом с окружающей средой) передачи в/из области (1, 1).

Крайне сложно передать все точности сего исследования, посему желающие детальнее с ним ознакомиться могут почитать доклад исследовательской группы, доступный по ссылке.

Эпилог

Ученым удалось впервые объединить в кремниевом устройстве односпиновое управление посредством спинового резонанса и считывание в синглет-триплетной структуре. Эксперименты показали, что контроль и манипуляции над подобными сложными системами вполне возможны. Устройства, которые смогут полноценно реализовать данные методики, также смогут работать с применением значительно меньшего магнитного поля и при более высоких температурах. Ученые намерены продолжить свои исследования дабы усовершенствовать свою технологию, максимально исключив ошибки или же найдя способы их полного нивелирования.

Данное исследование, прежде всего, было нацелено на то, чтобы понять возможно ли в будущем создать достаточно крупномасштабные системы на базе квантовых технологий. Ибо до сих пор такие технологии рассматривались как основа для чего-то, так сказать, малого.

Автор: Dmytro_Kikot