خلاصه خبر:
محققان در TU Delft با نشان دادن کنترل جهان شمول بر روی یک آرایه 2x4 از نقاط کوانتومی ژرمانیوم با چهار کیوبیت singlet-triplet به پیشرفتی در محاسبات کوانتومی دست یافتند. هر کیوبیت، که توسط دو اسپین الکترونی در حال تعامل شکل می‌گیرد، از طریق پالس‌های ولتاژ باند پایه دقیق کنترل می‌شود و عملیات تک کیوبیتی قابل اعتماد را با فیدلیتی بیش از 99 درصد ممکن می‌سازد. این تیم همچنین گیت‌های دو کیوبیتی به سبک SWAP را پیاده‌سازی کرد و به درهم تنیدگی و فیدلیتی حالت بل تا 90 درصد دست یافت. این کار اولین کنترل موفق جهانی یک سیستم نقطه کوانتومی چهار کیوبیتی را نشان می‌دهد که از محدودیت‌های دو کیوبیته قبلی فراتر رفته است. یافته‌های آنها مقیاس‌پذیری کیوبیت‌هایsinglet-triplet و کاربردهای بالقوه در شبیه‌سازی‌های کوانتومی و محاسبات تصحیح شده با خطا را برجسته می‌کند.
توضیحات تکمیلی:
دستکاری دقیق برهمکنش‌های اسپین در سیستم‌های کوانتومی برای توسعه رایانه‌های کوانتومی قابل اعتماد بسیار مهم است. محققان در TU Delft به کنترل جهان شمول بر روی یک سیستم چهار کیوبیتی مبتنی بر کیوبیت‌های singlet-triplet در یک آرایه نقطه کوانتومی ژرمانیومی 2x4 دست یافته‌اند. یافته های آنها که در Nature Nanotechnology منتشر شده است، نشان دهنده پیشرفت قابل توجهی در مقیاس بندی سیستم های محاسباتی کوانتومی است.
این سیستم بر روی کیوبیت‌های singlet-triplet کار می‌کند، جایی که هر کیوبیت از دو اسپین الکترونی درحال تعامل تشکیل شده است.عملیات تک‌کیوبیتی از طریق پالس‌های ولتاژ باند پایه انجام شد که تعامل تبادل اسپین-اسپین را بین مقادیر مختلف، که به محورهای چرخش کیوبیت مربوط می‌شوند، تغییر می‌داد. عملیات دو کیوبیتی، که برای انتقال اطلاعات کوانتومی حیاتی است، با فعال کردن انتخابی جفت تبادل (exchange coupling) بین کیوبیت‌های همسایه از طریق پالس‌های ولتاژ گیت، فعال شد.
این آرایه یک "نردبان نقطه کوانتومی" را تشکیل می دهد، جایی که کنترل دقیق detuning و tunneling barriers به تیم اجازه می دهد تا طیف انرژی کیوبیت را ترسیم کند و به کنترل جهان شمول دست یابد. این سِتاپ پیشرفته گیت‌های کوانتومی به سبک گیت SWAP را فعال کرد و تبادل اطلاعات کوانتومی بین کیوبیت‌های همسایه را تسهیل کرد. محققان میانگین فیدلیتی گیت تک کیوبیتی را بین 99.49٪ و 99.84٪ و فیدیلیتی حالت بل را بین 73٪ تا 90٪ نشان دادند. درهم تنیدگی در سراسر آرایه با فیدیلیتی حالت بل از راه دور 75٪ و همزمانی 22٪ به دست آمد.
این دستاورد مبتنی بر تلاش‌های قبلی است، که در آن کنترل جهانی به دو کیوبیت singlet-triplet محدود می‌شد. با تعامل هشت اسپین در تحول زمانی همدوسی—بیشترین تعداد در آرایه‌های نقطه کوانتومی—این سیستم مرزهای جدیدی در این حوزه تعیین کرده است.
این تیم مقیاس پذیری و تطبیق پذیری کیوبیت هایsinglet-triplet را برجسته می کند. نویسنده ارشد Lieven Vandersypen بر پتانسیل این پلت فرم تاکید کرد و به توانایی آن در شبیه سازی پدیده های کوانتومی پیچیده مانند مغناطیس کوانتومی اشاره کرد. تلاش‌های آینده با هدف بهبود فیدلیتی گیت‌های دوکیوبیتی به بالای ۹۹٪ خواهد بود، که یک گام حیاتی برای محاسبات کوانتومی مقاوم به خطا است.
این پیشرفت‌ها امکان گسترش کنترل به آرایه‌های نقاط کوانتومی دوخطی را نشان می‌دهد، که راه را برای سیستم‌های اطلاعات کوانتومی مقیاس‌پذیر و شبیه‌سازی‌های کوانتومی پیشرفته هموار می‌کند. این پیشرفت نه تنها قابلیت‌های سخت‌افزاری را ارتقا می‌دهد، بلکه بر پتانسیل کیوبیت‌های singlet-triplet به‌عنوان یک پلتفرم قوی برای محاسبات کوانتومی جهان شمول تأکید می‌کند.
منبع
https://phys.org/news/2024-11-universal-quantum-dot-based-singlet.html?utm_source=twitter.com&utm_medium=social&utm_campaign=v2
Xin Zhang et al, Universal control of four singlet–triplet qubits, Nature Nanotechnology (2024). DOI: 10.1038/s41565-024-01817-9
