Forscher haben demonstriert, wie ein Quantengatter in einer Baugruppe betrieben wird, in der Spannungsimpulse dazu führen, dass benachbarte Elektronenspins verschoben werden.
Vor zwanzig Jahren schlugen theoretische Forscher eine Methode vor, um empfindliche spinbasierte Qubits vor dem Zerfall durch verrauschte Eingaben zu schützen. Es sollte Informationen in Qubits verschlüsseln, indem es die Spinzustände benachbarter Elektronen ändert. Anstatt wie üblich die Spins zu drehen, erfordert dieser Schaltvorgang keine weitere Energie vom System. Dieses Design wurde nun von Forschern der HRL Laboratories in Kalifornien in eine elektrisch gesteuerte Plattform auf Siliziumbasis implementiert. Ihr Prototyp, der letzte Woche auf der APS-Konferenz im März vorgestellt wurde, demonstriert ein fehlerarmes Logikgatter, das in der Lage ist, jede Art von Quantencomputeroperation auszuführen.
Ändern der Drehrichtung von Qubits
Ein Qubit ist typischerweise ein einzelner Spin mit „0“- oder „1“-Zuständen und unterschiedlicher Energie, je nachdem, wie der Spin auf das angelegte Magnetfeld ausgerichtet ist. Energieänderungen im System können zur Steuerung des Qubits verwendet werden. Dies wird normalerweise erreicht, indem das Qubit mit Mikrowellenphotonen mit einer Frequenz bestrahlt wird, die der Energieniveauteilung des Qubits entspricht. Als Reaktion darauf ändert der Spin des Qubits die Richtung und wirkt wie ein Ein-Aus-Schalter. Durch kleine Inhomogenitäten (Rauschen) in der Mikrowellenstrahlung oder im Magnetfeld verliert das Qubit tendenziell seine Quanteninformation. Dieser Ansatz ist allgemein bekannt, leidet jedoch unter Dekohärenzproblemen.
Im Gegensatz dazu führt die Methode des Teams zu einem Spin-basierten Qubit mit der gleichen Energie in den Zuständen „0“ und „1“. Dabei geben die Qubit-Zustände an, ob die Spinwellenfunktionen der Spins der beiden Elektronen im Qubit symmetrisch („1“) oder antisymmetrisch („0“) sind. Spannungsimpulse, die ihre Richtung "ändern", ohne benachbarte Spins in eine bestimmte Richtung auszurichten, bieten Kontrolle über diese Zustände. Wenn die beiden Wellenfunktionen symmetrisch sind, ändert sich an diesen energiesparenden Austauschvorgängen nichts, aber wenn die Wellenfunktionen antisymmetrisch sind, fügen sie eine Quantenphase von -1 hinzu. Aber dieser Austausch ist im wesentlichen ein Teilaustausch; Der Spannungsimpuls ist so eingestellt, dass der Austausch stattfinden kann, aber es besteht die Möglichkeit, dass dies nicht der Fall ist.
"Teilweises Austauschen ist eine Quantenoperation, die uns in einer Überlagerung von "ausgetauscht" und "nicht ausgetauscht" zurücklässt", erklärt HRL-Teammitglied Thaddeus Ladd. Er und sein Team codieren Informationen durch eine komplexe Reihe von Teilaustauschen in eine Sammlung von Elektronenspins.
Für das Experiment erstellte das HRL-Team zwei verschiedene Qubits aus sechs Silizium-Quantenpunkten. Das von jedem Punkt eingefangene einzelne Elektron interagiert mit den Spins um ihn herum über Spannungsimpulse, die an die Metallgates gesendet werden. Die Forscher führten zwei Quantenoperationen, CNOT und SWAP, mit zwei Qubits durch. Dies erforderte Tausende von sorgfältig regulierten Spannungsimpulsen, um sie hundertmillionenmal pro Sekunde in komplexen Sequenzen von teilweisen Vertauschungen über sechs Umdrehungen ein- und auszuschalten.
Diese Verfahren haben geringe Messfehler, was durch eine „Genauigkeit“ von etwa 97 % belegt wird. „Mit einer guten Dosis Mathematik kann gezeigt werden, dass diese [Technik], die auf der teilweisen Verschiebung von Spins basiert, ausreicht, um jede Quantenoperation an einer gewünschten, eingeschränkten Menge von Zuständen durchzuführen, die aus vielen Spins besteht“, fügt Ladd hinzu.
Im Vergleich zu herkömmlichen Single-Spin-Qubits hat diese Methode zwei wichtige Vorteile. Zweitens werden verschiedene Hardware-Integrationen zur Regulierung von Magnetfeldern und Phasenfehlausrichtungen überflüssig. Es verhindert auch das Übersprechen, das durch Mikrowelleneingang verursacht wird. Diese Vorteile reduzieren die Quellen mikroskopischer Fehler und verbessern die Qualität der Qubit-Steuerung.
Jede grundlegende Operation wiederum erfordert eine lange und komplexe Reihe von Impulsen, und jedes Qubit erfordert drei Quantenpunkte, um ein einzelnes Qubit zu erzeugen. Laut Ladd war die Entwicklung der Hardware und Software des Geräts keine einfache Aufgabe.
Die Forscher verwendeten eine Methode namens SLEDGE, an der sie arbeiten, um ihr neues Sechspunktgerät (eine durch Ätzen definierte Gate-Elektrode in einer einzigen Schicht) herzustellen. Dieses System verwendet einen Elektronenstrahl, um die punktförmigen Gates auf einer Ebene zu strukturieren, und verbindet die Gates dann mit Metallspitzen. Die neuen Geräte im Labor beeindruckten die Quantenphysikerin Andrea Morello von der University of New South Wales in Australien.
Laut Morello waren die Forscher in der Lage, Quantenpunkte mit einer solchen Präzisionsgenauigkeit und Wiederholbarkeit zu erzeugen, dass selbst ein komplexes Sechs-Punkt-System dank der hochmodernen Geräteherstellungsfähigkeiten von HRL ein konsistentes Verhalten zeigte.
Ladd erklärt, dass diese Technik kein effektives Quantencomputing ermöglichen wird, bis Millionen von Qubits miteinander kommunizieren. Während der Proof-of-Concept von HRL viele der Probleme mit der Mikrowellensteuerung beseitigt, gibt es noch einige Herausforderungen, wie z. B. die Kühlung des Systems und die Gewährleistung der Homogenität in geätzten Quantenpunktmustern, was schwieriger wird, wenn mehr Qubits hinzugefügt werden. „Ich sage nicht, dass unser Qubit-Design das größte, schnellste oder intelligenteste Design ist.
Aber ich glaube, das ist eines der interessantesten, zum Teil, weil es sich auf die grundlegende Frage der Berechnung bezieht, ob Energieaufwand erforderlich ist, um eine Berechnung durchzuführen“, sagt Ladd.
Morello argumentiert, dass die Auslagerungsstrategie erhebliche Anpassungen an der Art und Weise erfordern wird, wie Qubits typischerweise verwendet werden, aber er glaubt, dass der Wegfall der Notwendigkeit von Mikrowellensignalen eine „herausfordernde“ Situation schaffen könnte, in der die Qubit-Steuerung erleichtert werden könnte. Ob diese mutige Entscheidung aufgeht, wird sich in Zukunft zeigen, wenn man den Quantenprozessor auf noch mehr Qubits erweitert.
Quelle: physical.aps.org/articles/v16/46
Günceleme: 19/03/2023 13:05