کیوبیت‌های چرخشی اسپین، کنترل کارآمد آرایه‌های نقاط کوانتومی بزرگ را فعال می‌کنند

خلاصه خبر:

محققان QuTech یک رویکرد جدید برای کنترل نقاط کوانتومی ایجاد کرده اند که میتواند کنترل کارآمد آرایه های کیوبیت نیمه هادی بزرگ را امکان پذیر کند. آنها «کیوبیت‌های چرخشی اسپین » را نشان دادند که می‌توانند منطق کوانتومی جهان شمول را بدون نیاز به کنترل پیچیده مایکروویو انجام دهند. کار آنها بر اساس پیشنهاد اصلی سال 1998 توسط Loss و DiVincenzo برای استفاده از اسپین الکترون در نقاط کوانتومی به عنوان کیوبیت است. تیم QuTech دریافت که ژرمانیوم دارای خواص منحصربه‌فردی است که به کیوبیت‌های اسپین اجازه می‌دهد تا زمانی که بین نقاط کوانتومی مختلف پرش می‌کنند، بدون نیاز به سیگنال‌های کنترل مایکروویو پیچیده، چرخش کنند. این امر الکترونیک کنترل مورد نیاز را ساده میکند و گام بزرگی را به سوی محاسبات کوانتومی عملی با کیوبیت های نیمه هادی نشان میدهد.

توضیحات تکمیلی:

محققان QuTech، همکاری بین TU Delft و TNO، به پیشرفت قابل توجهی در توسعه محاسبات کوانتومی با کیوبیت های نیمه هادی دست یافته اند. آنها رویکرد جدیدی به نام «کیوبیت های چرخشی اسپین» یا "somersaulting spin qubits" را نشان داده‌اند که می‌تواند کنترل کارآمد آرایه‌های بزرگی از کیوبیت‌های مبتنی بر نقطه کوانتومی را امکان‌پذیر کند.

اساس این کار در سال 1998، زمانی که Loss و DiVincenzo مقاله ای اساسی منتشر کردند که استفاده از اسپین الکترون در نقاط کوانتومی را به عنوان مبنایی برای محاسبات کوانتومی پیشنهاد می کرد، گذاشته شد. در پیشنهاد اولیه آنها، ایده "hopping gates" معرفی شد که در آن اسپین یک الکترون بین نقاط کوانتومی مجاور جهش می کند و مکانیزمی برای کنترل کیوبیت و عملیات منطقی فراهم می کند. با این حال، اجرای آزمایشی این موضوع برای بیش از 20 سال یک چالش باقی مانده است.

تیم QuTech اکنون با پیشگامی در استفاده از ژرمانیوم به عنوان ماده نیمه هادی برای کیوبیت های نقطه کوانتومی خود، بر این چالش غلبه کرده است. ژرمانیوم دارای خواص منحصربه‌فردی است که به کیوبیت‌های اسپین اجازه می‌دهد تا زمانی که بین نقاط کوانتومی مختلف پرش می‌کنند، بدون نیاز به سیگنال‌های کنترل مایکروویو پیچیده، چرخش کنند. این امر کنترل الکترونیکی مورد نیاز برای کار با پردازنده کوانتومی را ساده می کند.

محققان برای اولین بار در مقاله ای که در Nature Communications منتشر شد، پرش کوبیت های اسپین در ژرمانیوم را نشان دادند. آنها سپس نشان دادند که با کنترل پرش و چرخش اسپین ها، می توانند به عملیات منطق کوانتومی جهان شمول با نرخ خطای پایین دست یابند - کمتر از 0.1٪ برای گیت های تک کیوبیتی و کمتر از 1٪ برای گیت های دو کیوبیتی. 

توانایی کنترل آرایه های بزرگ کیوبیت های نیمه هادی به این روش ساده و کارآمد، گام مهمی در جهت تحقق کامپیوترهای کوانتومی کاربردی است. کار تیم QuTech این پتانسیل را دارد که محاسبات کوانتومی را در دسترس‌تر و مقیاس‌پذیرتر کند و راه را برای پیشرفت‌های آینده در این فناوری تحول‌آفرین هموار کند.

منبع

Wang et al. Operating semiconductor quantum processors with hopping spins, Science (2024), DOI: 10.1126/science.ado5915

Van Riggelen-Doelman et al. Coherent spin qubit shuttling through germanium quantum dots, Nature Communications (2024), DOI: 10.1038/s41467-024-49358-y