La prima dimostrazione del controllo universale degli spin qubit codificati

La prima dimostrazione del controllo universale degli spin qubit codificati
La prima dimostrazione del controllo universale degli spin qubit codificati
Rendering di un dispositivo SLEDGE a sei punti in silicio, che ha implementato la logica generale utilizzando un qubit Spin codificato. Credito: laboratori HRL

Il calcolo quantistico (QC) presenta esempi noti di accelerazione hardware per problemi specifici, ma è difficile da implementare a causa della sua suscettibilità a piccoli errori dovuti a rumore o controllo incompleto. I principi di tolleranza ai guasti possono consentire l’accelerazione computazionale utilizzando hardware imperfetto, ma impongono requisiti rigorosi sulla natura e l’interconnessione degli errori.

Per molte tecnologie qubit, alcune delle sfide nel raggiungimento della tolleranza ai guasti possono essere ricondotte agli errori associati derivanti dalla necessità di controllare il qubit mediante iniezioni risonanti di qubit corrispondenti di energia a microonde. HRL Laboratories, LLC, ha pubblicato la prima dimostrazione completa di controllo degli spin qubit codificati. L’esperimento ha dimostrato il controllo globale dei qubit codificati, il che significa che i qubit possono essere utilizzati con successo per qualsiasi tipo di implementazione dell’algoritmo computazionale quantistico.

Questo nuovo approccio emergente al calcolo quantistico utilizza una nuova architettura del dispositivo qubit basata su silicio che intrappola singoli elettroni in punti quantici. Tre di questi elettroni solitari hanno stati qubit graduati in termini di energia governati da interazioni di contatto più vicino che scambiano parzialmente stati di spin vicini.

Poiché l’esperimento ha dimostrato che i loro qubit codificati possono essere controllati universalmente, qualsiasi tecnica computazionale quantistica può essere efficacemente implementata utilizzando i qubit. I qubit quantici per i punti quantici di silicio/silicio-germanio utilizzano tre spin di elettroni e una tecnica di controllo in base alla quale le tensioni applicate ai gate metallici cambiano parzialmente le direzioni di spin di quegli elettroni senza allinearli in alcun ordine.

Durante la presentazione, decine di impulsi di tensione accuratamente calibrati sono stati applicati uno dopo l’altro a distanza molto ravvicinata per pochi milionesimi di secondo.

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Il silicio arricchito di isotopi, il controllo elettrico completo dei processi di scambio parziale con bassa sovrapposizione, l’insensibilità configurabile del codec a specifiche fonti di errore e la coerenza quantistica che fornisce lavorano tutti insieme per fornire un percorso vitale verso la tolleranza agli errori scalabile e i calcoli delle caratteristiche, che sono fondamentali passi verso un computer quantistico commerciale. .

Lo scienziato e autore senior di HRL Aaron Weinstein ha dichiarato: “Oltre alle ovvie sfide di progettazione e produzione, è stato necessario scrivere molto software robusto, ad esempio, per mettere a punto e calibrare il nostro sistema di controllo. Sono stati compiuti notevoli sforzi per sviluppare procedure automatizzate ed efficienti per determinare la tensione applicata risultante nel grado di scambio parziale. Poiché non era necessario eseguire migliaia di queste operazioni per determinare i livelli di errore, ogni processo deve essere preciso. Abbiamo lavorato duramente per far funzionare tutto questo controllo con alta precisione.”

Il leader del gruppo HRL e coautore Mitch Jones ha dichiarato: “Questo è stato uno sforzo di squadra. Il lavoro abilitante di talentuosi team di software di controllo, teoria, crescita dell’hardware e produzione è stato fondamentale. Inoltre, sono state necessarie molte misurazioni strumentali per comprendere a sufficienza la fisica interna e sviluppare procedure per controllare meglio questi interazioni quantomeccaniche.” affidabile. Questo lavoro e illustrazione è il culmine di quelle misurazioni, rese ancora migliori lavorando a fianco di alcuni degli scienziati più brillanti che ho incontrato.”

Thaddeus Ladd, leader del gruppo HRL e coautore Egli ha dettoE “È difficile individuare la migliore tecnologia qubit, ma penso che i qubit di solo silicio siano almeno i migliori. Ci sono ancora vere sfide nel migliorare l’errore, il ridimensionamento, la velocità, l’uniformità, il crosstalk e altri aspetti, ma niente di tutto ciò richiede un miracolo. Per molti altri tipi di qubit, almeno un aspetto sembra ancora difficile.”

Se ingranditi, i computer quantistici saranno diversi dai supercomputer tradizionali in quanto utilizzeranno una fragile proprietà della fisica quantistica nota come entanglement quantistico per eseguire alcuni calcoli che normalmente richiederebbero anni o decenni per i computer convenzionali. Simulare il comportamento delle macromolecole è uno di questi calcoli tra le molte possibili applicazioni.

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Riferimento rivista:

  1. Aaron J. Weinstein et al. Logica universale con qubit rotazionali codificati in silicio Nature (2023). DOI: 10.1038/s41586-023-05777-3

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