Ученые измеряют спиновый кубит электрона, не разрушая его

Группе ученых из японского Института физико-химических исследований RIKEN удалось провести повторные измерения спина электрона в кремниевой квантовой точке (КТ) без изменения его спина в процессе. Этот тип измерения «без разрушения» важен для создания квантовых компьютеров. Квантовые компьютеры облегчили бы выполнение определенных классов вычислений, которые являются чрезвычайно сложными и трудоемкими для обычных компьютеров. По сути, это включает измерение квантового значения, которое никогда не находится в одном состоянии, как обычный транзистор, но вместо этого существует как «квантовое состояние» – так же, как нельзя сказать, что знаменитая кошка Шредингера жива или мертва, пока ее не наблюдают. Используя такие системы, можно провести вычисления с кубитом, который представляет собой наложение двух значений, а затем определить статистически, каков правильный результат. Квантовые компьютеры, которые используют одноэлектронные спины в кремниевых КТ, рассматриваются как привлекательные из-за их потенциальной масштабируемости и потому, что кремний уже широко используется в электронике.

Однако основная проблема при разработке квантовых компьютеров заключается в том, что они очень чувствительны к внешним помехам. До сих пор исследователи преуспели в разработке одноэлектронных спинов в кремниевых КТ с длительным временем удержания информации и высокоточными квантовыми операциями, но квантовое измерение без разрушения – ключ к эффективной коррекции ошибок – оказалось труднодостижимым. Обычный способ считывания одноэлектронных спинов в кремнии заключается в преобразовании спинов в заряды, которые могут быть быстро обнаружены, но, к сожалению, процесс детектирования влияет на спин электронов.

Теперь, в исследованиях, опубликованных в Nature Communications, команда RIKEN достигла такого измерения без разрушения. Ключевым моментом, который позволил группе продвинуться вперед, было использование модели взаимодействия типа Изинга – модели ферромагнетизма, которая рассматривает, как электронные спины соседних атомов выравниваются, что приводит к образованию ферромагнетизма во всей решетке. По сути, они были в состоянии передать информацию о спине – вверх или вниз – электрона в КТ другому электрону в соседней КТ, используя взаимодействие типа Изинга в магнитном поле, а затем могли измерить спин соседа, используя обычный метод, чтобы они могли оставить исходное вращение без изменений, и могли бы проводить повторные и быстрые измерения соседа.

“Благодаря этому, – объясняет директор группы Сейго Таруча, который возглавлял исследовательскую группу, – мы смогли достичь точности воспроизведения без сноса на уровне 99%”.

Он продолжает: “Это очень увлекательно, потому что, если мы сможем объединить нашу работу с высокоточными одно- и двухкубитными гейтами, которые в настоящее время разрабатываются, мы могли бы потенциально создать множество отказоустойчивых систем квантовой обработки информации, используя кремниевую платформу с квантовыми точками”.

DOI: 10.1038 / s41467-020-14818-8