Manipuliranje kvantnih informacij z vrtilnim navorom | znanstvena poročila

Manipuliranje kvantnih informacij z vrtilnim navorom | znanstvena poročila

Anonim

Predmeti

  • Elektronske in spintronske naprave
  • Kvantne informacije
  • Kubiti

Izvleček

Uporaba vrtilnega momenta kot nadomestek magnetnih polj je zdaj dobro uveljavljena za klasične operacije, kot je preklapljanje nanomagneta. To, kar tukaj opisujemo, bi lahko obravnavali kot uporabo vrtilnih navojev, podobnih učinkom na kvantne procese, ki vključujejo rotacije enojnih kitov, kot tudi dve zapletenosti qubita. Ključna sestavina te sheme je uporaba velikega števila potujočih elektronov, katerih kumulativni učinek je ustvarjanje želenih kbitnih operacij na statičnih vrtljajih. Vsaka interakcija vključuje zapletanje in kolaps valovnih funkcij, tako da je delovanje le približno enotno. Vendar pa prikazujemo, da se lahko ne unitarna komponenta operacij s pravilnim načrtovanjem ohrani pod sprejemljivimi mejami. Kot primeren primer predstavljamo izvedbo celotne CNOT vratnice s pomočjo predlagane arhitekture, ki temelji na potencialu spin, in pokažemo, da je mogoče zvestobo v idealnih pogojih narediti sprejemljivo blizu ene.

Uvod

Na področju spintronike je bil v zadnjih petindvajsetih letih ogromen napredek, ki ga je spodbudilo odkrivanje različnih novih pojavov, ki so omogočili generiranje in odkrivanje uporabnih ravni neravnovesnih vrtilnih tokov in potencialov vrtenja tudi pri sobni temperaturi. Nekateri od teh pojavov so iskanje aplikacij v pomnilniških napravah, glej na primer 1, in bili so predstavljeni številni predlogi, da bi jih uporabili tako za konvencionalno logiko kot za nevromorfno logiko 2, 3 . Ker je vrtenje primarna entiteta, predvidena za fizično realizacijo kvantnih bitov, ali kvitov 4, 5, se zdi naravno, da se lahko vprašamo, ali bi sodobni napredek ustvarjanja neravnovesnih spin-tokov in napetosti lahko uporabili pri gradnji močnih kvantnih računalnikov.

En vpliven predlog za zasnovo kvantnega računalnika 5, 6 temelji na uporabi darovalskih in jedrskih vrtljajev fosfornih 31 P atomov v silicijevi matrici in o zadnjih eksperimentalnih napredkih so poročali v zadnjih petnajstih letih pri uresničevanju struktur, ki lahko omogoči tovrstne predloge 7, 8, 9, 10 . Enojni kubiči,

Image

, se izberejo in zavrtijo z uporabo magnetnih polj, medtem ko se dve kbitni operaciji izvedeta z aktiviranjem učinkovite izmenjalne interakcije

Image

med njimi.

Uporaba vrtilnega momenta kot nadomestek magnetnih polj je zdaj dobro uveljavljena za klasične operacije, kot je preklapljanje nanomagneta. Naš glavni cilj v tem prispevku je pokazati, da se lahko učinki, podobni vrtilnim navorom, uporabljajo za izvajanje kvantnih procesov, ki vključujejo inicializacijo in vrtenje enojnih kitov, kot tudi dve zapletenosti qubita. Odčitavanje Qubita z uporabo meritve ansambla je mogoče izvesti z isto arhitekturo, če je za merjenje na voljo zbirka identično inicializiranih in preoblikovanih qubitov, pripravljena z uporabo ponovljenih fizičnih struktur. Predlagano arhitekturo bi bilo mogoče uporabiti skupaj z uveljavljenimi tehnikami odčitavanja enojnih posnetkov 8, zlasti za posebne aplikacije, ki zahtevajo več-qubit stanje tomografijo ali eksperimente stanja Bell-a.

V tem prispevku bomo najprej pokazali, da je (1) vse standardne operacije z enim kbitom mogoče izvajati brez magnetnega polja z interakcijami obrazca

Image

s potujočo ali letečo neravnovesno spin populacijo

Image

medtem ko se lahko (2) dve kbitni operaciji izvedeta z ločenima interakcijama obrazca

Image

in

Image

z letečo populacijo spin

Image

. O slednjem postopku je že več avtorjev razpravljalo 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21 in pri tem delu smo črpali, vendar je pri tem delu ključno razlikovanje, kot je pojasnjeno v naslednjem razdelku.

Materiali in metode

Celotna arhitektura, ki jo predvidevamo, je shematično prikazana na sliki 1 (a) z uporabo štirih lokaliziranih vrtljajev za ponazoritev. Popolna izvedba bi lahko vključevala dodatne qubits in več različic istega qubita, ki omogočajo odčitavanje ansambla. Vsi kiti so vgrajeni v spino-koherenten polprevodniški kanal, tako da potujoči ali leteči ( f ) vrti v prevodnem pasu medsebojno vplivajo s statičnimi

Image

qubits, ki se nahajajo na

Image

s pomočjo interakcije obrazca

Image

(a) Shematično prikazuje celotno arhitekturo s qubitovima S 1 in S 2, konfiguriranima za operacije z enim kbitom, ter kbitoma S 0 in S 3 za dve qubit operaciji. ( b ) Enakovredna konfiguracija za kbit S 1, preoblikovan v eni dimenziji. ( c ) Enakovredna konfiguracija kitov

Image

in

Image

preoblikovan v eni dimenziji.

Slika v polni velikosti

Image

Statični kbit bi lahko bil nevtralni jedrski spin kot 29 Si z J, ki predstavlja hiperfino interakcijo, ali 31 P, kjer se raven darovalca uporablja za hiperfino interakcijo, ali pa bi lahko bil elektronski spin darovalca z J, ki predstavlja interakcijo izmenjave ali morda nanostni magnet, vgrajen v polprevodnik 22, 23 .

Vsak kubit ima vrata,

Image

in

Image

, na obeh straneh, ki se lahko uporabi za izčrpavanje kanala pod njim, da se pari in ločijo qubits iz potujočih vrtljajev po želji za posebne operacije. Spin-koherenten kanal ima dodatna vrata,

Image

, ki zagotavljajo izolacijo in usmerjajo tok elektronov. Ta vrata se lahko izvedejo z uporabo zgornjih vrat 24 ali preko kontaktov, ki lahko modulirajo elektrostatiko kanala 10 . Splošni potujoči elektroni imajo majhno verjetnost, da medsebojno vplivajo s statičnim jedrskim spinom zaradi majhne velikosti jedra. Da bi izvedli interakcijo, se vrata,

Image

in

Image

, se uporabljajo za proizvodnjo stoječih valov za potujoče elektrone. Ti stoječi valovi bi morali zagotavljati prekrivanje potrebnih valovnih funkcij, da bi realizirali povezano interakcijo s statičnim vrtenjem 25 .

Polprevodni kanal je mogoče realizirati z uporabo silicija 26 ali drugega materiala, ki podpira koherentno vbrizgavanje in transport 27, 28 . Potujoči vrti se lahko po želji povežejo z rezervoarji za vrtenje, ki se nahajajo s specifičnimi potenciali ožemanja 29 vzdolž smeri x, y ali z. Te lahko nastanejo z uporabo različnih uveljavljenih spintroničnih pojavov, kot so magnetni stiki 30, 31, velikanski centrifugalni učinek 32, 33 ali spiralno črpanje 34 pri nizkih 35 in sobnih temperaturah 36, 37 . Integracija polprevodnikov z magnetnimi materiali je izvedljiva perspektiva 38, 39 in je bila uporabljena v silicijskih poskusih z dvojnimi pikami za ustvarjanje lokalnih magnetnih polj 40, s čimer je postavljen precedens za možnost izdelave naprave. Prosimo, glejte razdelek za dodatno razpravo o teh temah in povzetek bistvenih zahtev predloga v tabeli 1.

Tabela polne velikosti

Slika 1 (a) prikazuje kbit

Image

in

Image

konfiguriran za operacije z enim kbitom in ga je mogoče preoblikovati v eni dimenziji, kot je prikazano na sliki 1 (b). Kubiti

Image

in

Image

na drugi strani so konfigurirani za dve operaciji qubit in jih je mogoče preoblikovati, kot je prikazano na sliki 1 (c). Upoštevajte, da sta oba prikazana rezervoarja povsem konceptualna; v praksi bo to verjetno en sam rezervoar s potencilom ožemanja

Image

v neko smer

Image

. Pri enem samem stiku v stanju dinamičnega ravnovesja ni toka neto toka, vendar obstaja stalna izmenjava elektronov. Elektroni se prednostno vbrizgajo iz stika z vrti v smeri

Image

ki delujejo med statičnimi kbitovi in ​​jih nato odstranimo z istim kontaktom. Prav tok elektronov do istega stika in z njega je tisti, ki poganja razpršene pojave, opisane v naslednjih razdelkih.

Matrica gostote vpadnih vrtljajev iz tega rezervoarja je podana s

Image

, kjer sem jaz

Image

matrika identitete in

Image

matrice Pauli spin. Izdelek Kronecker te leteče matrike gostote vrtenja z

Image

matrika gostote

Image

opis sistema q-qubit ( q = 1 za sliko 1 (b), q = 2 za sliko 1 (c)) daje začetno skupno

Image

matrika gostote sistema. Matrica začetne gostote se spremeni v

Image

s postopkom refleksije, ki ga opisuje a

Image

matrična refleksija [ R ], ki se izračuna ob upoštevanju pregrade (-e) in medsebojnih vplivov potujočih vrtij (qubits) in je odvisna od posebne strukture.

Odsevni potujoči vrti se vrnejo v rezervoar za ožemanje

Image

ali

Image

povzroči kolaps kvantnega stanja, ki ga opisuje delna sled matrike gostote nad letečimi vrti, ki jih predstavlja Trace f :

Image

Enačba (3) določa osnovni pristop, ki ga bomo uporabili za modeliranje kvantnih vrat, obravnavanih v tem prispevku. Omogoča rekurzivno razmerje, ki izraža matriko gostote q-qubit po interakciji z

Image

itinerantni vrti v smislu matrike gostote po interakciji z n itinerantnimi vrti. Uporablja se časovno neodvisen model za kvantni transport ob predpostavki, da je časovno nihanje signalov dovolj počasno, da ga lahko obravnavamo kot kvazistatično. Na primer

Image

kar je veliko manjše od drugih energetskih lestvic, ki nas zanimajo.

O uporabi "letečih vrtljajev" za manipulacijo statičnih kitov smo govorili že v preteklosti 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21 in opazili smo, da je matrika odsevanja [ R ] v enačbi (2) predstavlja enotno preoblikovanje, primerno za kvantne operacije, če so ovire pri

Image

na sliki 1 (b, c) so dovolj velike, da v celoti upadejo 20, 21 vpadnih elektronov, ki jih uporabljamo v tem predlogu. Novost v metodi tega predloga je uporaba zaporednih interakcij z velikim številom potujočih elektronov, pri čemer vsaka interakcija vključuje proces zapletanja in refleksije, enačba (2), ki ji sledi zlom kvantov brez naknadne izbire. stanje, enačba (3), kar ima za posledico determinirano, približno enotno delovanje. Vsaka interakcija razvije matrico gostote v skladu z enačbo (3), ki jo lahko uporabimo iterativno za določitev končne matrice gostote po interakciji z določenim številom elektronov.

Upoštevajte, da je za razliko od enačbe (2) propad matrike gostote, opisan z enačbo (3), ne unitarni postopek in morda se zdi presenetljivo, da bi celotno delovanje, ki vključuje veliko število ( N ) takih neenotnih kolapsov, še vedno lahko biti uporaben za izvajanje enotnih transformacij, primernih za kvantno računanje. Vendar bomo pokazali, da lahko s pravilno izbiro parametrov stopnjo neenotnosti naredimo poljubno majhno na račun hitrosti.

Želimo pokazati, da se lahko neenotnost, ki je neizogibna z večkratnimi padci, drži do sprejemljivo nizkih ravni, tako da se lahko izvajajo uporabna kvantna vrata. To se najprej vzpostavi za operacije z enim kbitom in nato za dve kbitni operaciji z uporabo osnovnega pristopa iz enačb (2) in (3). Na koncu kot primeren primer predstavljamo izvedbo celotnega CNOT vrata s pomočjo predlagane arhitekture in pokažemo, da je mogoče zvestobo pod idealnimi pogoji narediti sprejemljivo blizu enaki.

Rezultati

Operacije z enim kubitom

Slika 1 (b) prikazuje osnovno konfiguracijo za eno operacijo qubit: v naslednji razpravi bomo to domnevali

Image

točke vzdolž smeri z, tako da rezervoar vbrizga elektrone s + z vrtenjem in izvleče oba ± z vrtenja. Vsakič, ko se vbrizga elektron, se zaplete s statičnim spinom, ekstrakcija pa predstavlja meritev, ki poruši kvantno stanje statičnega spina. V dodatnem razdelku A pokažemo, da je po interakciji z N elektroni z-komponenta statičnega spina

Image

je dal z

Image

medtem ko je prečna komponenta

Image

je dal z

Image

pri čemer α predstavlja efektivno moč medsebojnega delovanja med letečim vrtenjem in statičnim kbitom in ga damo s

Image

kjer je k valovno število potujočih elektronov, v ustrezna hitrost in

Image

Enačbi (4) in (5) natančno opisujeta naše številske rezultate, kot je razvidno iz slike 2, in dajejo osnovo za inicializacijo in vrtenje posameznih kitov, kot je opisano v razpravi.

Image

Enojna rotacija Qubita. Evolucija vrtenja enega samega kbita, ki je sprva usmerjena vzdolž x, saj deluje z naraščajočim številom letečih vrtljajev, N. Številčne rezultate zelo dobro opišejo analitične rešitve (4) in (5), opisane v besedilu.

Slika v polni velikosti

Dve operaciji Qubita

Slika 1 (c) prikazuje osnovno konfiguracijo za dve kbitni operaciji, ki je zelo podobna konfiguraciji za operacijo z enim kbitom, slika 1 (b), le da ima kanal dva vgrajena qubita namesto enega. Celoten pristop je enak, temelji na enačbi (3), vendar matrika odseva [ R ] je

Image

v velikosti namesto

Image

, zaradi česar je algebra manj preprosta.

V podprostoru dva kubita želimo izvesti enotno preobrazbo obrazca

Image

ki bi jih bilo mogoče razumeti kot "vrtenje" v

Image

prostor: vrtenje

Image

ustreza SWAP, medtem ko

Image

ustreza univerzalnemu

Image

operacijo, ki jo bomo uporabili za CNOT vrata.

Uporabljeni pristop temelji na splošnem načelu uporabe potujočih vrtljajev kot "sporočilcev", ki s pomočjo statičnih vrtljajev komunicirajo skozi ločene izraze obrazca

Image

,

Image

. Vsak sel povzroči majhno vrtenje, celotno vrtenje pa dosežemo z integriranim učinkom mnogih sporočil.

Da bi videli, kako to deluje, potrebujemo odsevno matrico [ R ], ki se izračuna z razširitvijo metode, uporabljene v dodatnem razdelku A. Interakcija z vsakim od qubitov je opisana s matricami za prenos in odboj, ki jih podata

Image

Image

kje

Image

in

Image

so

Image

matrike (za izrecno obliko teh matric glej Dopolnilno poglavje D), ki opisujejo interakcije itinerantnega vrtenja s qubits 1 oziroma 2. Upoštevajte, da imata dve kubitni strukturi (slika 3 (b)) na levi strani dodatno oviro z matricami za prenos in odboj, neodvisno od vrtenja, ki jih podaja

Image

Odsevna matrika [R] za (a) operacije z enim kbitom in ( b ) dve kbitni operaciji.

Slika v polni velikosti

Image

kje

Image

predstavlja višino pregrade, normalizirano na

Image

, ob predpostavki, da je delta funkcijska ovira

Image

.

Matrica celotne refleksije

Image

izračunamo s ponavljajočo se kaskado odbojnih matric za strukturo na sliki 3 (b).

Image

Image

Image

Za izračun odsevne matrice [ R ] za dani niz parametrov Ω, Γ, kd in kd 0 je enostavno uporabiti enačbe (12, 13, 14).

Ne glede na podrobno izbiro parametrov je matrika celotne refleksije blokovno diagonala. Dva od teh sta trivialna 1 × 1 bloka, f 12 in

Image

, vse spodbudo in vse spodrsljaje, na katere interakcija ne vpliva. Druga dva bloka sta

Image

bloki, ki vključujejo

Image

,

Image

,

Image

in

Image

,

Image

,

Image

kar ustreza (2 upspin + 1 downspin) in (1 uppsin + 2 downspins). Celotno matrično diagonalno refleksno matriko [ R ] lahko zapišemo v obliki petih elementov matrike a, b, c ,

Image

in

Image

kot je prikazano spodaj:

Image

Upoštevajte, da če

Image

,

Image

so bili nič, naša matriksna refleksija bi skoraj zagotovila transformacijo, ki jo iščemo, z izrazom c, ki zagotavlja dva vrtilna vrtenja γ v enačbi (8). Toda pogoji

Image

in

Image

povzroči neželene ne unitarne učinke, kar vodi do povprečne verjetnosti napake

Image

tako da je mogoče oceniti verjetnost napake na enoto vrtenja za dva kbitna vrata

Image

kar je prikazano na sliki 4 kot funkcija kd in

Image

ob predpostavki

Image

,

Image

. Upoštevajte, da s

Image

Slika zaslug za dve kbitni operaciji kot funkcijo (a) kd 0 za kd = π in (b) kd za kd 0 = π / 2 z Ω = 1 in Γ = 0 in Γ = 5.

Slika v polni velikosti

Image

verjetnost napake je precej majhna

Image

.

Za ponazoritev pomena dodajanja dodatne prosojne ovire trdnosti Γ spredaj smo prikazali tudi rezultate brez nje (Γ = 0) v črtkanih črtah, ki kažejo veliko večjo verjetnost napake.

Slika 5 (a) prikazuje gibanje diagonalnih elementov matrike gostote med interakcijo z potujočimi vrti, ki se začnejo iz začetnega stanja z

Image

. Upoštevajte, da so zapletena stanja z zelo visoko skladnostjo, glej enačbo (10) od 41, dobljena z ustreznim številom elektronov (slika 5 (b)).

Image

(a) Dva kbitna vrtenja s kd = π, kd 0 = π / 2, Ω = 0, 1 in Γ = 20. ( b ) Dva kbita sočasja, ki prikazuje nihanje zapletanja kot funkcijo števila vpadljivih elektronov.

Slika v polni velikosti

Izvajanje CNOT

Zaključujemo ta odsek s primerom še enega univerzalnega dvo-kbitnega kvantnega prehoda, CNOT, ki se izvaja s pomočjo spodaj opisane arhitekture, ki temelji na spin. Slika 6 (a) prikazuje CNOT vrata v smislu elementarnih enojnih kitov in dveh qubit operacij 4 . Vezje je mogoče realizirati z uporabo osnovne strukture, prikazane na sliki 1 (a), ki je ustrezno postavljena, da dobimo dva kubita, vdelana v sprednji koherentni kanal. Ti kbiti se lahko selektivno povežejo ali odklopijo od kontaktov, ki se nahajajo pri določenih potencialih predenja.

Image

(a) Zastopanje vezja za CNOT na podlagi nadzorovanega Z z Hadamardovimi vrati, da dobimo nadzorovano X. ( b ) Fizikalna slika za eno in dve kbitni operaciji

Image

in

Image

z elektrostatično krmiljenimi vrati. ( c ) valovne oblike, ki prikazujejo manipulacije, potrebne za različne mreže s slike ( b ) za izvajanje CNOT operacije med

Image

in

Image

.

Slika v polni velikosti

Časovni diagram na sliki 6 (c) prikazuje zaporedje posameznih kitov in dveh kbitnih operacij, potrebnih za izvedbo zahtevanih prehodov:

  1. H-vrata: To vključuje

    Image

    rotacije

    Image

    okoli zaporedja osi x, z in x. Zaporna vrata

    Image

    ,

    Image

    in

    Image

    se uporabljajo za izolacijo

    Image

    ki se nato zasuka s povezovanjem

    Image

    terminala do rezervoarjev s potenciali zavrtljanja, usmerjenimi x in z, vsak za čas, ki je potreben za zagotovitev

    Image

    rotacija.

  2. Image

    vrata: To vključuje vrtenje dveh kitov

    Image

    in

    Image

    vrste, o kateri smo govorili v prejšnjem razdelku. Ta vrata se realizirajo z uporabo nepolariziranega potenciala predenja za čas, ki je primeren za a

    Image

    "Vrtenje" (enačba (8)). Upoštevajte uporabo zapornih vrat R 0 in R 3 za izvedbo popolnoma odsevne pregrade oziroma polprozorne ovire.

  3. Z-gate: Ta rotacija qubita

    Image

    okoli osi z dosežemo z uporabo vrat

    Image

    za izolacijo in nato povezavo z z usmerjenim potencilom spin za ustrezno trajanje.

  4. Image

    vrata: enako kot korak 2.

  5. S in S vrata: To vključuje a

    Image

    vrtenje

    Image

    in a

    Image

    vrtenje

    Image

    , oba okoli osi z.

  6. H-vrata: enako kot korak 1.

Celotna vrata CNOT so simulirana z enim kbitom in dvema qubit operacijama, kot je opisano prej z

Image

in

Image

. Predpostavljena je bila 0, 5% napaka v želenih vrednostih kd in kd 0 :

Image

Zvestoba vrat je bila ocenjena na podlagi recepta, ki so ga predložili Trifunovic et al . 42 . CNOT vrata so simulirana z vsakim od štirih (

Image

in

Image

začetna stanja, ki povzročajo Bell stanja, in zvestobo končnega stanja

Image

smo ocenili s primerjavo idealnega Bell stanja ρ :

Image

Najnižja vrednost f je bila 99, 8%.

Diskusija

Glede na rezultate prejšnjega oddelka bomo ocenili sposobnost enega in dveh kbitnih operacij za kvantno računalniško odpornost. Po ugotovitvi veljavnosti teh operacij bomo nato razmislili o različnih vidikih celotne arhitekture.

Operacije z enim kubitom

Pobuda z enim kbitom

Enačba (4) nam pove, da se lahko statični spin inicializira v stanju s

Image

, po interakciji z velikim številom letečih vrtljajev

Image

. To je podobno znanemu Overhauserjevemu učinku, po katerem se jedrski vrti polarizirajo med interakcijo s centrifugalnim rezervoarjem, ki je izpuščen iz ravnotežja 25, 43, ali drugimi predlogi za čiščenje stanja s ponavljajočimi meritvami sklopljenega kvantnega sistema s po izbiro 44, 45, 46 .

Enkratno vrtenje kita

Enačba (5) nakazuje možnost enojnega vrtenja kita za kot

Image

okoli osi z skozi interakcijo s potujočimi vrti. Upoštevajte pa, da je v tem procesu otekanje tudi oslabljeno s faktorjem

Image

kar je nezaželen stranski učinek. Za dano skupno vrtenje

Image

lahko dobljeno verjetnost napake na vrtenje enote zapišemo kot

Image

iz katerega je razvidno, da je P e mogoče za določeno rotacijo θ narediti poljubno majhno z izbiro velikega N in s tem majhnega α . Rezultati na sliki 2 so bili dobljeni z relativno veliko vrednostjo α

Image

vrti za vrtenje

Image

da bi bili neenotni učinki vidni z veliko verjetnostjo napak. Toda s

Image

, verjetnost napake imamo

Image

.

Uporaba velikega N daje tudi boljši nadzor nad postopkom, saj vsak elektron v rezultatu le malo vpliva. Za velik N je potreben majhen α , enačba (6) pa predlaga priročen mehanizem za nadzor α , in sicer s prilagajanjem dejanske razdalje d 0 odsevne pregrade skozi zaporno napetost.

V tej razpravi je bila polarizacija magnetnega kontakta oz.

Image

, vzeti kot 100% v smeri z. V praksi polarizacija

Image

bo manj kot 100%. Nato se kot vrtenja določi s

Image

, medtem ko bo neenotnost odvisna

Image

, s čimer je verjetnost napake v enačbi (18) večja za

Image

. Na primer, spin polarizacija 0, 01 bi povečala verjetnost napake za 10 2 . Da bi nadomestili to povečanje napak, bi to potrebovali

Image

krat več elektronov,

Image

, kar bi lahko dosegli tako, da je α manjši. Pri siliciju so pri nizkih temperaturah 47 dobljeni redne polarizacije, ki so večje od 0, 01, obetaven napredek pri sobni temperaturi 35 .

Odčitavanje z enim kbitom

Upoštevajte, da interakcija, o kateri smo pravkar razpravljali, zagotavlja tudi mehanizem za odčitek, če imamo na voljo več ponovitev vsakega qubita, da lahko opravimo meritve ansambla, podobno kot 17 . Izmerili smo lahko povprečni vrtilni tok I sz, ki teče sprva na sponkah

Image

in sklepati

Image

iz nje. Podobno lahko začetni spin v x- in y-smeri dobimo tako, da izmerimo vrtilni tok, ki teče, če je priključen na spin rezervoar z x- in y-komponento oziroma z uporabo enačb (4, 5). Poznavanje

Image

, i = x, y, z, lahko začetno matrico gostote zapišemo na naslednji način:

Image

Tehnike merjenja v sklopih zagotavljajo mehanizem za pridobitev pričakovane vrednosti določenega kbita in so lahko uporabne za nekatere izračune 48 . Ker pa je arhitektura združljiva z metodami odčitavanja z enim posnetkom, so ponovljene fizične strukture nebistven vidik predloga.

Dve operaciji Qubita

Neposredni pristop k izvedbi rotacije dveh kitov je skozi interakcijo obrazca

Image

med dvema statičnima zasukoma, kot je na primer v arhitekturi Kane 5 ali v zadnjem času v pristopih kvantnih pik, ki jih je predlagal Trifunovic et al. 42, 49 . Uporaba predlaganega itinerantnega vrtenja za posredovanje učinkovite izmenjalne interakcije vodi do nedodelanosti v operacijah vrat. Te nepopolnosti nastanejo kot posledica nezaželenih koeficientov

Image

in

Image

(15) zaradi interakcij

Image

,

Image

. To je očitno, če primerjamo matrični prikaz teh operaterjev z [ R ] v enačbi (15). Po drugi strani pa zaželeni koeficient c izhaja iz produktnih pogojev obrazca

Image

ki so neodvisni od spina potujočih elektronov,

Image

, tako da dve kbitni operaciji, za razliko od operacij z enim kbitom, ne potrebuje potenciala ožemanja; navadni nepolarizirani rezervoar bi moral biti v redu. Pomanjkanje fazne simetrije enačbe. (15) za leteče vrtenje navzgor in navzdol in s tem nepopolnost v

Image

, je nekoliko ublažena z uporabo nepolariziranih potujočih vrtljajev, kot v povprečju

Image

in

Image

države bodo ubrale isto skupno fazo.

Zvestoba dvokvita

Image

vrata so močno odvisna od višine začetne pregrade, Γ. Za

Image

, je izboljšanje zvestobe vrat, ki je posledica večkratnega odseva, odvisna od valovne dolžine in je zato odvisna od k . Pri nizkih temperaturah je ustrezen k Fermijev valovni vektor k f, ki ustreza energiji Fermi, ki je povezana z gostoto elektronov n s 50 :

Image

Na splošno pa je vključeno toplotno povprečje nad valovnimi vektorji in stopnja povečanja iz več odbojev bo povprečno ustrezna.

Prav tako je treba opozoriti, da od zmanjšane verjetnosti napake s

Image

izhaja iz več skladnih odsevov, pričakujemo, da bo ta povečanje učinkovitosti bolj občutljivo na procese, ki povzročajo izgubo sprednje koherentnosti. Takšni procesi se v našem sedanjem modelu ne upoštevajo.

Končno, 99, 8% popolna izvedba CNOT zadostuje za kvantno računalniško odpornost 42 .

Arhitektura

Predlagana arhitektura ima številne funkcije, ki so lahko koristne za gradnjo kvantnega računalnika v polprevodniških arhitekturah. Potujoči vrti ustvarjajo lokalizirana magnetna polja za kateri koli ciljni kbit, kar zagotavlja individualno selektivnost, paralelno delovanje in izolacijo qubita. Ta lokalizirana generacija polja odpravlja potrebo po izmeničnih električnih in magnetnih poljih, ki se uporabljajo za jedrsko magnetno resonanco (NMR) in spiralno resonanco elektronov (ESR). Odstranitev potrebe po teh magnetnih poljih zmanjšuje zapletenost zasnove sistema za manipulacijo s kbitom.

Zunanja enosmerna magnetna polja je mogoče odpraviti, če je mogoče doseči popolne pokovinske kontakte, da se ustvarijo 100-odstotno vrteni polarizirani tokovi, primerni za visokozmogljivo inicializiranje qubita. Te idealne vrtilne tokove je trenutno težko eksperimentalno realizirati, zato je v kratkem potreben alternativni način inicializacije. Druga možnost je, da je ta arhitektura združljiva z obstoječimi pristopi, ki usmerjajo zunanje magnetno polje za proizvodnjo Zeeman-ove cepitve, tako da je mogoče z enodnevnimi tranzistorji elektronov opraviti inicializacijo in odčitavanje enega kita.

Uporaba pohodnih vrtljajev za operacije vrat mora biti združljiva s časi okvare qubits. Nedavno je prišlo do pomembnega napredka pri dolgoročnem shranjevanju kvantnih informacij v polprevodniških sistemih, ki temeljijo na zavrtenju darovalca in napak, z eksperimentalnimi rezultati 31 P jedrskega spina T 2 krat ~ 30 sekund 24 in visoko čistimi darovalnimi elektroni silicija s T 2 krat ~ sekund 51, 52 . Ti dolgi časi dekorente so veliko večji od časa delovanja kvantnih vrat, ki jih poganjajo potujoči vrtljaji: tok 160 nA lahko v ~ 10 ns odda 10 4 elektrone, ki so dovolj za vrtenje qubita. V nedelopiranem Si 53 so poročali o spinovih življenjskih obdobjih nad 500 ns pri 60 K.

Medtem ko enostranska kvotna vrata v arhitekturi zahtevajo uporabo vrtenih polariziranih tokov in s tem integracijo magnetnih materialov, je mogoče dva kvotna vrata realizirati s tradicionalnimi stiki, ki proizvajajo nepolarizirane spin tokove. Poleg tega se lahko ta dva kubična vrata uporabijo za ne-lokalno prepletanje med selektivnimi kitovi, kar je omejitev predlogov najbližjih sosedov. Stopnja nenaklonjenosti bo omejena s sprednjo skladno transportno dolžino potujočih kvazi delcev, ki se lahko odvisno od materiala in temperature gibljejo od desetine nanometrov do desetine mikronov. Vendar pa bo priklop na kanalske stike in večkratni odboj od ovir, s čimer se poveča efektivna transportna dolžina vrtečih se vrtov, omejilo njihov doseg. Dokler je mogoče ohraniti koherenco vrtenja po dolžini zapornic (glej sliko 1) med dvema kubitoma, bi bilo treba omogočiti, da jih zapletete.

Uporaba velikega števila potujočih vrtljajev za izvajanje določene kbitne operacije omogoča natančno nastavitev in nadzor, saj odstopanje enega elektrona predstavlja majhno napako v procesu, ki vključuje recimo 10 4 elektrone. Predvidevamo nadziranje dejanskega števila elektronov s pomočjo vrat za povezavo ali odklop kbitov od potujočih vrtljajev po želji. Uporaba električnega krmiljenja kubitov je koristna za izdelavo skalabilne arhitekture z uporabo kabitov, ki temeljijo na polprevodnikih. Obstajajo tudi drugi predlogi za vseelektrično krmiljenje, vendar ti predlogi večinoma temeljijo na interakcijah med vrtenjem in orbito in so verjetno dovzetni za polnjenje hrupa 54 .

Številni predlogi za manipulacijo s kitovi zahtevajo občutljivo krmiljenje vrat in sposobnost manipulacije z enimi elektroni. Tukaj krmiljenje delovanja vrat temelji na velikem številu elektronov, črpanih iz rezervoarja, ki jih je mogoče natančno nadzorovati. Poleg tega arhitektura ne potrebuje vezanega darovalnega elektrona za izvajanje jedrskih manipulacij s spinovanjem, kar lahko zagotavlja pot za delovanje z višjimi temperaturami 55 . Kot nadaljnji primer zmanjšanja nadzora, potrebnega za izvajanje arhitekture, operacije vrat ne zahtevajo natančne namestitve donatorjev v rešetko.

Kljub temu pa se številni izzivi soočajo z arhitekturo. Izrazita je značilna izguba zvestobe vrat, ki je posledica večkratnih meritev. Ta izguba zvestobe vrat zahteva popravljanje napak, še preden se upoštevajo drugi viri dekoherencije in odstopanja. Vključitev magnetnega materiala v polprevodniško obdelavo je še ena ovira, ki jo je treba premagati za eksperimentalno realizacijo visokozmogljive inicializacije, enoprostorskih zapornic in odčitavanje kitov. Dosežen je bil napredek pri vključevanju teh materialov v postopke izdelave, ki so posledica sodobnih tehnologij magnetnega pomnilnika, vendar ta integracija še vedno nastaja in je ne more sprejeti. Poleg tega je bila v celotnem predlogu predvidena interakcija obrazca, ki ga poda (1). Na podlagi te domneve je zagotovljeno natančnejše raziskovanje interakcije med letečimi elektroni v prevodnem pasu in jedrskimi vrti na osnovi darovalca.

Če povzamemo, smo predstavili arhitekturo kvantnih računskih sistemov, ki temelji na uporabi neenakomernih potencialov vrtenja, ki jih sodobna špironika omogoča, da izvajajo vse osnovne operacije qubita, vključno z inicializacijo, samovoljnim rotacijo enojnih kitov, enitnim odbitkom in dva vrtenja qubita na izbranih parih qubits. Ključna značilnost naše arhitekture je uporaba ponavljajočega se prepletanja z potujočimi elektroni in poznejši propad kvantnega stanja. Slednji postopek je ne unitarni, vendar smo pokazali, da lahko celoten neenotni sestavni del s pravilnim načrtovanjem vzdržujemo pod sprejemljivimi mejami. Na koncu smo predstavili izvedbo celotnega CNOT-ov izhodišča s predlagano arhitekturo, ki temelji na potencialnem spin-u in pokazali, da je zvestoba v idealnih pogojih sprejemljiva za kvantno računalniško odpornost. Ta v celoti električna arhitektura zagotavlja način qubit krmiljenja za polprevodniške dajalčeve sisteme brez uporabe magnetnih polj, hkrati pa zagotavlja selektivnost in izolacijo qubita ter ne-lokalno delovanje dveh kitov. Prihodnje raziskave lahko vključujejo nadaljnjo preiskavo delovanja dveh qubit zapletov, numerično modeliranje reprezentativnih eksperimentalnih struktur in preučevanje interakcije med prevodnimi letečimi elektroni in jedrskimi vrtljaji na osnovi darovalca. Eksperimentalna preiskava tukaj opisanih operacij bi bila koristna za oceno veljavnosti predloga.

Dodatne informacije

Kako navajati ta članek : Sutton, B. in Datta, S. Manipuliranje kvantnih informacij z vrtilnim navorom. Sci. Rep. 5, 17912; doi: 10.1038 / srep17912 (2015).

Dodatne informacije

Datoteke PDF

  1. 1.

    Dodatne informacije

Pripombe

Z oddajo komentarja se strinjate, da se boste držali naših pogojev in smernic skupnosti. Če se vam zdi nekaj zlorabe ali ne ustreza našim pogojem ali smernicam, označite to kot neprimerno.