Новые кубиты для создания более быстрых квантовых компьютеров
Согласно прогнозам, квантовые компьютеры будут намного более мощными и функциональными, чем сегодняшние «классические» компьютеры
Новое исследование указывает на то, что дыры являются решением компромисса между скоростью работы и согласованностью, потенциальным масштабированием кубитов до мини-квантового компьютера.
Согласно прогнозам, квантовые компьютеры будут намного более мощными и функциональными, чем сегодняшние «классические» компьютеры.
Один из способов создать квантовый бит — использовать «спин» электрона, который может указывать вверх или вниз. Чтобы сделать квантовые компьютеры максимально быстрыми и энергоэффективными, мы хотели бы работать с ними, используя только электрические поля, которые прикладываются с помощью обычных электродов.
Хотя спин обычно не «разговаривает» с электрическими полями, в некоторых материалах спины могут косвенно взаимодействовать с ними, и это одна из самых горячих проблем, изучаемых в настоящее время в квантовых вычислениях.
Взаимодействие, которое позволяет спинам общаться с электрическими полями, называется спин-орбитальным взаимодействием и восходит к теории относительности Эйнштейна.
Исследователи квантовых вычислений опасались, что при сильном взаимодействии любое увеличение скорости работы будет компенсировано потерей когерентности (по сути, того, как долго мы можем сохранять квантовую информацию).
«Если электроны начинают взаимодействовать с электрическими полями, которые мы применяем в лаборатории, это означает, что они также подвергаются воздействию нежелательных флуктуирующих электрических полей, которые существуют в любом материале (обычно называемые «шумом»), и хрупкая квантовая информация этих электронов будет уничтожена», — говорит профессор Дими Калсер (UNSW / FLEET), руководивший исследованием. «Но наше исследование показало, что этот страх не оправдан».
«Наши теоретические исследования показывают, что решение достигается за счет использования дырок, что можно рассматривать как отсутствие электрона, ведущего себя как положительно заряженные электроны».
Таким образом, квантовый бит можно сделать устойчивым к колебаниям заряда, происходящим из фона. Более того, «золотая середина», в которой кубит наименее чувствителен к такому шуму, также является точкой, в которой с ним можно работать быстрее всего.
«Наше исследование предсказывает, что такая точка существует в каждом квантовом бите, сделанном из дырок, и предоставляет набор рекомендаций для экспериментаторов, чтобы достичь этих точек в своих лабораториях».
Достижение этих точек упростит экспериментальные усилия по сохранению квантовой информации как можно дольше. Это также предоставит стратегии для «увеличения» квантовых битов, то есть создания «массива» битов, который будет работать как мини-квантовый компьютер.
«Это теоретическое предсказание имеет ключевое значение для увеличения масштабов квантовых процессоров, и первые эксперименты уже проведены, — говорит профессор Свен Рогге из Центра квантовых вычислений и коммуникационных технологий (CQC2T)».
«Наши недавние эксперименты с дырочными кубитами с использованием акцепторов в кремнии уже продемонстрировали более длительное время когерентности, чем мы ожидали», — говорит профессор Джо Салфи из Университета Британской Колумбии. «Приятно видеть, что эти наблюдения имеют прочную теоретическую основу. Перспективы дырочных кубитов действительно радужны».
Zhanning Wang et al. Optimal operation points for ultrafast, highly coherent Ge hole spin-orbit qubits, npj Quantum Information (2021). DOI: 10.1038/s41534-021-00386-2