Quantenprozessor basierend auf Spin-Resonanz und Manipulationen von Singlet-Triplets



    Oh, diese Quantentechnologien. Sie überfluteten die Köpfe von Wissenschaftlern auf der ganzen Welt, als der Pokemon GO einst die Köpfe der Smartphone-Benutzer erfüllte. Der Vergleich ist sicherlich nicht der beste, denn der erste wird davon profitieren, der zweite - die Menschenmassen in den Parks gebracht, aber nicht für frische Luft oder ein Picknick. Heute werden wir die Studie verstehen, die darauf abzielt, einen skalierbaren Quantenprozessor zu schaffen, der Fehler finden und beheben kann. Der Betrieb eines solchen Prozessors erfordert eine parallele Kontrolle über einen Satz von Qubits (Quantenbits), während der Prozess des Erfassens von Fehlern unter den ausgewählten Qubits abläuft. Das heißt, wir jonglieren mit einer Hand und mit der zweiten zeigen wir Kartentricks. Die Aufgabe ist, gelinde gesagt, keine leichte Aufgabe. Lassen Sie uns herausfinden, wie Wissenschaftler aus Australien eine solch komplexe Idee in die Praxis umsetzen konnten. Lass uns gehen.

    Die Grundlage der Studie

    Um die effektive Arbeit eines neuen Prozessortyps zu realisieren, mussten sich die Wissenschaftler nicht den populärsten physikalischen Phänomenen zuwenden, nämlich der Spinresonanz. Sie glauben, dass dies die Grundlage für die Implementierung einer parallelen zweiachsigen Steuerung sein kann. Wenn all dies durch die Pauli * Spin- Blocking- Technik unterstützt wird, können lokale Messungen der Fehlererkennungsparität durchgeführt werden.
    Das Pauli-Prinzip * - in der Quantenmechanik ist das Prinzip, dass zwei identische Fermionen nicht gleichzeitig im gleichen Quantenzustand sein können.
    Bisher hat sich die auf der Quantenphysik basierende Forschung eher auf Einzelresonanz oder Kontrolle / Messung unter Verwendung von Spannung auf der Basis eines Doppelspin-Singulett-Tripletts konzentriert.
    Multipleness * - Charakterisierung des Spin eines Atoms oder Moleküls. Ein Singlet ist beispielsweise ein System aus zwei Partikeln, deren Gesamtspin 0 ist.
    In dieser Studie wollen Wissenschaftler beide Prozesse zu einem kombinieren.

    Im Bereich der Manipulation von Single-Spin-Qubits in Silizium wird meistens das magnetische oder elektrische Feld bei Mikrowellenfrequenzen verwendet. Dies ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass die Mikrowellentechnologien extrem entwickelt sind, was die Implementierung einer zweiachsigen Qubit-Steuerung durch Änderung der Phase ermöglicht. Einfach aber effektiv.

    Bei modernen Verfahren, wie dem Einsatz von selektivem Single-Spin-Tunneln in ein elektronisches Reservoir, gibt es nach Ansicht der Forscher einige Nachteile. Daher ist ihre Verwendung in auf Quantengates basierenden Dispersionserfassungssystemen unwirksam. Dieses Problem kann jedoch nicht einfach gelassen werden, da letztere eine hervorragende Eigenschaft haben - Elektroden können in großen Qubit-Strukturen bei höheren Temperaturen arbeiten, wodurch die kritische Überhitzungsschwelle stark ansteigt.

    Mit dem Spin-Blocking von Pauli sind die Dinge jedoch viel besser, da Sie mit dieser Technik ein Paar Datenlesen im Prozess der Fehlererkennung und -korrektur durchführen können. Um die Doppelspin-Singulett-Triplet-Struktur zu steuern und zu manipulieren, sind außerdem deutlich niedrigere Mikrowellenfrequenzen erforderlich, was es möglich macht, die physikalische Größe einer möglichen Vorrichtung, die auf dieser Technologie basiert, stark zu reduzieren.


    Gerätestruktur

    Die Abbildungen 1a und 1b zeigen detailliert den Aufbau der experimentellen Vorrichtung aus einem Doppelquantenpunkt mit einer Mikrowellenübertragungsleitung, basierend auf dem Metalloxid 28- Halbleiter (MOS) .

    Eine Mikrowellenübertragungsleitung wird benötigt, um SET-Impulse (Einelektronentransistor) zu erzeugen. Das Gerät enthält auch einen SET-Sensor, der zur Erzielung einer Single-Charge-Empfindlichkeit erforderlich ist, die für das Lesen von Daten aus einer Singlet-Triplet-Struktur erforderlich ist. Die Elektronen wurden in zwei Quantenpunkten (QD1 und QD2 in den obigen Bildern) durch Anlegen einer positiven Spannung an die Quantengate (G1 und G2) lokalisiert. Das elektronische Reservoir wird unterhalb der Si-SiO 2 -Oberfläche durch die positive Verschiebung des ST-Ventils gebildet, das auch das Haupt-SET-Ventil ist.

    Die Ergebnisse der Versuche



    Das Bild oben zeigt das Stabilitätsdiagramm eines Doppelquantenpunktsystems (im Folgenden als QD bezeichnet) im geladenen Bereich (N1, N2), wenn die Vorrichtung in Betrieb ist. Wenn Elektronen in einer doppelten QD angeordnet werden, führt die Austauschwechselwirkung zu einer Aufteilung der Energie zwischen den Singulett- und Triplett-Spinzuständen. Dieser Prozess kann durch elektrische Impulse gesteuert werden, die auf die nächsten Quantengatter gerichtet sind.

    Wir können auch die Manifestationen der Pauli-Spinblockade (im Folgenden SBP) beobachten. Wenn der Zustand von (1, 1) nach (0, 2) übergeht, tritt das Tunneln von dem Elektron QD1 zu dem Elektron QD2 auf, jedoch nur, wenn diese beiden getrennten Elektronen ursprünglich im gleichen Spinzustand waren. Die Triplett-Zustände sind jedoch aufgrund der starken Wechselwirkung im Ladezustand blockiert (0, 2).

    Der Fixierungsprozess erfolgt aufgrund der asymmetrischen Kopplung zweier Quantenpunkte und eines elektronischen Reservoirs. Als Ergebnis wird ein metastabiler Ladungszustand des Reservoirs des Quantenpunktes (1, 1) - (1, 2) gebildet. Die Hauptmaschine dieses Prozesses ist das Tunneln zwischen QD1, QD2 und dem Reservoir.

    (1, 1) - (1, 2) Der Übergang ist deutlich sichtbar, im Gegensatz zu dem Fall, als das System anfänglich auf Laden eingestellt wurde (0, 2). In diesem Fall wird ein sehr stabiler Singulett-Zustand beobachtet, der mit einer starken Energieaufspaltung verbunden ist. Folglich werden Bereiche fester SBPs nicht beobachtet.

    Ein wichtiges Merkmal der Zustandsfixierung ist, dass dadurch die "Sichtbarkeit" von 70% auf 98% steigt, das heißt, die Wahrscheinlichkeit einer fehlerhaften Identifizierung wird für dieses auf Silizium-MOS basierende Bauelement um etwa das 16-fache reduziert.


    Adressierung eines einzelnen Qubits durch Spinresonanz.

    Die nächste Phase des Experiments bestand darin, die Möglichkeit der Adressierung eines bestimmten Cubes zu prüfen. Hierzu wurde ein magnetisches Wechselfeld mit einer Spinresonanz-Pulsdauer von 25 µs (Mikrosekunden) angelegt. Der Verstimmungsgrad war ziemlich hoch (etwa 4,2 GHz) und das Magnetfeld betrug 150 mT (Millitesla). Das Ergebnis der Anwendung solcher Parameter war eine Abnahme der Sichtbarkeit, einer der Gründe für deren Manifestation können Fehler beim Lesen von Daten sein.



    Die Grafik oben zeigt die Daten aller Experimente. Die Wissenschaftler stellen fest, dass bei Anti-Crossinging (0, 2) - (1, 1), wenn der Verstimmungsgrad niedrig ist, eine Aufspaltung aufgrund der Austauschbindung auftritt. Aber mit einer hohen Verstimmung - aufgrund des Zeeman-Effekts, wenn die Linien der Atomspektren in einem Magnetfeld gespalten werden.

    Erkenntnisse der Forscher

    Der wichtigste Teil ihrer Arbeit besteht in der Möglichkeit der Fehleranalyse, um sie von zukünftigen Quantensystemen auszuschließen. Die Bestimmung, wie sich bestimmte Fehler auf das System auswirken, wird durch Spin-Blocking und Analyse verschiedener Betriebsmodi des Geräts ermöglicht.



    Die Grafik oben zeigt alle Fehler, die mit dem Vorbereitungs- und Messvorgang verbunden sind. Dies führt dazu, dass die Sichtbarkeit die Marke von 98% (orangefarbenes Feld im Histogramm) nicht überschreiten kann.

    Zusätzlich zu den obigen Fehlern gibt es solche, die sich auf die Übergangsprozesse der Ladungszustände (0, 2) → (1, 1) oder (1, 1) → (0, 2) beziehen.

    Laut Wissenschaftlern ist der größte Fehler derjenige, der genau im Moment des adiabatischen (thermodynamischen Prozesses innerhalb eines makroskopischen Systems, wenn er keine Wärme mit der Umgebung austauscht) in das / aus dem Bereich tritt (1, 1).

    Es ist äußerst schwierig, die gesamte Genauigkeit dieser Studie zu vermitteln. Wer sich näher damit vertraut machen möchte, kann den hier vorliegenden Bericht der Forschungsgruppe lesen .

    Epilog

    Wissenschaftlern ist es erstmals gelungen, die Einzelspinsteuerung durch Spinresonanz und Lesen in einer Singlet-Triplett-Struktur in einer Siliziumvorrichtung zu kombinieren. Experimente haben gezeigt, dass die Steuerung und Manipulation solcher komplexen Systeme durchaus möglich ist. Geräte, die diese Techniken vollständig implementieren können, können auch mit einem wesentlich niedrigeren Magnetfeld und bei höheren Temperaturen arbeiten. Wissenschaftler beabsichtigen, ihre Forschung fortzusetzen, um ihre Technologie zu verbessern, Fehler maximal zu beseitigen oder Wege zu finden, sie vollständig zu nivellieren.

    Ziel dieser Studie war es zunächst zu verstehen, ob es in Zukunft möglich ist, ausreichend große Systeme auf der Basis von Quantentechnologien zu schaffen. Bislang wurden solche Technologien als Grundlage für sozusagen Kleinigkeiten betrachtet.

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