Физики увеличили устойчивость спин-орбитальных кубитов

Международная группа ученых существенно увеличила продолжительность времени, в течение которого спин-орбитальный кубит в кремнии может сохранять квантовую информацию, открыв новый путь к тому, чтобы сделать кремниевые квантовые компьютеры более масштабируемыми и функциональными.

Спин-орбитальные кубиты уже более десяти лет исследуются как возможность увеличить число кубитов в квантовом компьютере, поскольку ими легко манипулировать и соединять на больших расстояниях. Однако они всегда демонстрировали очень ограниченное время когерентности, слишком короткое для квантовых технологий.

Исследование, опубликованное в Nature Materials, показывает, что при достаточно сильной спин-орбитальной связи возможны длительные времена когерентности. На самом деле ученые продемонстрировали когерентность в 10 000 раз большую, чем ранее было зафиксировано для спин-орбитальных кубитов, что делает их идеальным кандидатом для масштабирования кремниевых квантовых компьютеров.

«Мы перевернули общепринятую модель с ног на голову, продемонстрировав исключительно долгое время когерентности — ~10 миллисекунд — и поэтому спин-орбитальные кубиты могут быть удивительно надежными», — говорит профессор UNSW Свен Рогге, главный исследователь Центра квантовых вычислений и коммуникационных технологий (CQC2T), возглавлявший исследовательскую группу.

То, насколько устойчив кубит, определяет продолжительность времени, в течение которого он может сохранять квантовую информацию.

В спин-орбитальных кубитах хранится информация о спине электрона, а также о его движении — о том, как он «вращается» вокруг атомов в решетке чипа. Именно сила связи между этими двумя спинами сохраняет кубит стабильным и менее подверженным разрушению электрическим шумом в устройствах.

— Квантовая информация в большинстве спин-орбитальных кубитов чрезвычайно хрупка. Наш спин-орбитальный кубит особенный, потому что квантовая информация, хранящаяся в нем, очень надежна», — говорит ведущий автор исследования Такаши Кобаяши.

— Информация хранится в ориентации спина и орбиты электрона, а не только спина. Круговая орбита заряженного электрона и спин сцеплены вместе, как шестеренки, из-за очень сильного притяжения в спин-орбитальной связи.

«Увеличение силы этой спин-орбитальной связи позволяет нам достичь значительно большего времени когерентности, которое мы опубликовали сегодня.»

Чтобы увеличить время когерентности, исследователи сначала создали спин-орбитальные кубиты, введя в кристалл кремния примеси, называемые акцепторными легирующими атомами. Затем команда модифицировала деформацию в структуре кремниевой решетки чипа, чтобы генерировать различные уровни спин-орбитальной связи.

Конечный результат дал когерентность более чем в 10 000 раз большую, чем ранее обнаруженная в спин-орбитальных кубитах.

Это означает, что квантовая информация сохраняется гораздо дольше, позволяя выполнять гораздо больше операций — это важный шаг для масштабирования квантовых компьютеров.

Исследование в конечном счете открывает новые способы манипулирования отдельными кубитами и связывания кубитов на гораздо больших расстояниях, что сделает процесс изготовления чипов более гибким.

Engineering long spin coherence times of spin–orbit qubits in silicon, Nature Materials (2020). DOI: 10.1038/s41563-020-0743-3