Хабрахабр

Быстрее и точнее: гибридная система разнотипных кубитов

Акулы-убийцы с лазерными установками на голове — звучит очень круто, очень сложно и невероятно нелепо. Некоторые идеи ярко зарождаются и быстро умирают ввиду сложности, дороговизны или даже ненужности реализации. Это касается и квантовых компьютеров, которые обещают быть супер мощными, супер быстрыми и очень энергоэффективными. Однако некоторые идеи в своей реализации обещают если не «золотые горы», то как минимум горшочек золота. Вот и многие ученые думают так же. Звучит заманчиво, не так ли? И сегодня мы с вами будем знакомиться с исследованием, в котором ученые решили улучшить показатели скорости посредством создания так называемого кубитового гибрида. Реализация квантовых вычислений требует решения многих проблем. Поехали. Что это такое, из чего оно состоит и как работает мы узнаем из доклада исследовательской группы.

Основа исследования

Во-первых, это односпиновые кубиты в полупроводниковых квантовых точках, которые могут обеспечить невероятный уровень точности квантовых однокубитовых вентилей вплоть до 99,99%. Дабы всем было понятнее, ученые в первую очередь подчеркивают несколько аспектов, предшествующих их исследованию. Во-вторых, это двухкубитовые вентили с большим временем когерентности.

Квантовый вентиль* — логический элемент, который преобразовывает входное состояние кубита в выходное по определенному закону.

Проблема заключается в том, что процесс инициализации и фактического считывания кубитов протекает на порядок медленнее, чем процесс контроля. А это крайне негативно влияет на реализацию протоколов, основанных на измерениях. К таким можно отнести коррекцию ошибок.

Они отмечают, что синглет-триплетный кубит, встроенный в двухспиновое подпространство, может обладать как высокой точностью, так и высокой скоростью. А вот это уже звучит удручающе, но не для наших исследователей. 5 наносекунд, что в разы быстрее времени дефазировки. Именно эти элементы и являются основой гибридной системы, посредством которой ученые смогли реализовать квантовый вентиль контролируемой фазы со скоростью в 5.

Относится к процессу затухания когерентности квантовой системы. Дефазировка* — механизм извлечения классических черт из квантовых систем.

Основными, так сказать, деталями гибридной системы (CPHASE) являются два типа кубитов, каждый из которых обладает своими преимуществами и недостатками: кубиты Лосса-ДиВинсензо (далее LD) и синглет-триплетные кубиты (далее ST).

А вот ST кубиты значительно медленнее, поскольку ограничены слабой дипольной связью. В LD кубитах двухкубитовый квантовый вентиль достаточно быстр, поскольку концентрируется на обменных процессах между соседствующими спинами.

LD кубиты становятся медленнее из-за спин-селективного туннелирования. В процессах инициализации и считывания ситуация кардинально меняется. А ST становятся в разы быстрее из-за принципа Паули.

Если объединить их преимущество в одну гибридную систему, то можно получиться более быстрые и более точные квантовые вычисления. Таким образом мы имеем два типа кубитов, которые отлично себя показывают в определенных процессах. Давайте же узнаем насколько успешен был их труд. А для этого необходимо создать связующий интерфейс между ними, чем ученые и занимались в своем исследовании.

Результаты исследования


Изображение №1

LD кубит формируется в левой точке, а ST размещается в двух других. На изображении мы видим как LD и ST кубиты были имплементированы в тройную квантовую точку (TQD).

Это было осуществлено посредством электрического дипольного спинового резонанса (EDSR) — метода контроля магнитных моментов в системе посредством квантово-механических эффектов, таких как спин-орбитальное взаимодействие. Для достижения когерентного и резонансного контроля над LD кубитом ученые добавили рядом с TQD микромагнит.

Также это позволило увеличить разницу зеемановской энергии между центральной и правой точками в сравнении с их обменным взаимодействием.

Энергия Зеемана* — внешняя потенциальная энергия спинов в магнитном поле.

Таким образом собственное состояние ST кубита в этих точках становится |↑↓⟩ и |↓↑⟩, вместо синглетного |S⟩ и триплетного |T⟩. Далее было применено внешнее магнитное поле в 3.166 Тл (Тесла), что позволило разделить состояния LD кубита по зеемановской энергии и отделить поляризованные триплетные состояния |↑↓⟩ и |↓↑⟩ ST кубита от вычислительных состояний.


Схема рефрижератора растворения (Источник для желающих детальнее ознакомится с принципами работы данного устройства).

Манипуляции с кубитами проходили при зарядовом состоянии (1,1,1), инициализация при (1,0,1), а считывание при (1,0,2). Сам же эксперимент проводился в специальном рефрижераторе растворения при температуре в 120 мК (милликельвин).

(N, N, N)* — число электронов внутри каждой из точек (левой, центральной и правой).

Для калибровки процессов инициализации, контроля и считывания были проведены измерения изменений времени когерентности для каждого кубита. Дабы снизить межкубитовое обменное взаимодействие ученые разительно изменили уровень энергии зарядовых состояний (1,1,1) и (2,0,1).

У ST кубита же наблюдалась прецессия между |↑↓⟩ и |↓↑⟩ (1f). При наблюдении за LD кубитом была выявлена осцилляция Раби с частотой в 10 МГц (1d) как функция времени микроволнового импульса ().

На изображении проиллюстрирован процесс связывания двух кубитов между собой посредством обменного взаимодействия между левой и центральной квантовыми точками.

Двухкубитовая система оперировалась в соответствии со следующим условием:

EZ ≫ ∆ESTZ, ∆EQQZ ≫ JQQ ≫ JST, где:

EZ — зеемановская энергия;
∆ESTZ — разность зеемановской энергии между правой и центральной точками;
∆EQQZ — разность зеемановской энергии между левой и центральной точками;
JQQ — обменное взаимодействие между левой и центральной точками;
JST — обменное взаимодействие между правой и центральной точками.

В таком случае гамильтониан системы будет следующим:

где ^σLDz и ^σSTz это z-операторы Паули для LD и ST кубитов соответственно.


Изображение №2

Перед проведением испытания двухкубитового вентиля, как фактического примера работы гибридной системы, ученые провели калибровку силы межкубитового взаимодействия и его изменяемости посредством манипуляций с уровнями мощности.

А для предотвращения потерь в вычислительных стояниях ST кубита межкубитовое обменное взаимодействие включалось и выключалось адиабатически посредством внедрения линейных изменений напряжения (максимум на 24 наносекунды). Мужкубитовое взаимодействие в импульсном состоянии контролировалось посредством изменения энергии между (2,0,1) и (1,1,1) зарядовыми состояниями (2b).

Измерение когерентной прецессии ST кубита производилось посредством повторения импульсных состояний от D до H (изображение №2) без инициализации, контроля и измерений LD кубита, что делало последнего смесью |↑↓⟩ и |↓↑⟩ в случайном порядке.

Использовав в качестве начального состояния либо |↑↓⟩, либо |↓↑⟩, была получена прецессия ST (, 2f). На изображении 2b детально показана квантовая цепь, использованная в эксперименте по демонстрации возможностей контроля над частотой прецессии ST кубита посредством вводного состояния LD кубита.


Изображение №3

На изображении показана зависимость времени инициализации от фазы ϕσLD, на графике 3b уже показана контролируемая фаза ϕC = ϕ|↓〉 − ϕ|↑〉.

5 нс. Наблюдения показали, что время, необходимое для испытываемого CPHASE вентиля, может составить 5. Ученые связывают это с тем, что более короткое время сбора данных, полученное здесь, «обрезает» низкочастотную составляющую спектра шума. Однако при этом время, полученное методом максимального правдоподобия, составило 211 нс.


Изображение №4

На изображении показана квантовая цепь использованная для этого, в которой время имплементации является фиксированным для удовлетворения условия ϕC = π. Далее ученые продемонстрировали, что CPHASE вентиль способен работать абсолютно исправно даже при внедрении произвольных вводных состояний LD кубита. При этом когерентное изначальное состояние LD кубита с произвольным σLD z подготавливается посредством электрического дипольного спинового резонанса.

Для более детального ознакомления с нюансами исследования (методами, расчетами, формулами и наблюдениями) настоятельно рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.

Эпилог

Это утверждение, как бородатый анекдот, его уже все сто раз слышали, но оно продолжает оставаться актуальным. Нет придела совершенству. Квантовые вычисления хоть и обещают нам светлый новый мир, но для их реализации требуется еще не мало усилий приложить, исследований провести и вопросов решить.

Использование преимуществ разных типов кубитов в одной гибридной системе позволяет достичь не только высокой точности квантовых процессов, но и достаточно высокой скорости их выполнения. Однако данное исследование приближает реализацию квантовых вычислений на практическом уровне на шаг ближе к реальности. А такая комбинация всегда имела и будет иметь значение, какими бы ни были сами вычисления.

Вам нравятся наши статьи? Спасибо, что остаётесь с нами. Поддержите нас оформив заказ или порекомендовав знакомым, 30% скидка для пользователей Хабра на уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps от $20 или как правильно делить сервер? Хотите видеть больше интересных материалов? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps до весны бесплатно при оплате на срок от полугода, заказать можно тут.

класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки? Dell R730xd в 2 раза дешевле? Только у нас 2 х Intel Dodeca-Core Xeon E5-2650v4 128GB DDR4 6x480GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $249 в Нидерландах и США! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп.

Теги
Показать больше

Похожие статьи

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Кнопка «Наверх»
Закрыть