Квантовые вычисления с отверстиями

Квантовыевычислениясотверстиями
Quantum computing with holes
Два отверстия ограничены слоем, богатым германием, толщиной всего несколько нанометров. Сверху электрические ворота образованы отдельными проводами с приложенным напряжением. Положительно заряженные отверстия ощущают толкание и растяжение проводов, и поэтому их можно перемещать внутри своего слоя. Кредит: Даниэль Жировец

Квантовые компьютеры с их обещаниями создания новых материалов и решения трудноразрешимых математических задач – мечта многих физиков. Теперь они постепенно приближаются к жизнеспособной реализации во многих лабораториях по всему миру. Но еще предстоит преодолеть огромные проблемы. Центральным из них является создание стабильных квантовых битов – фундаментальной единицы квантовых вычислений, сокращенно называемой «кубит», – которые можно объединить в сеть.

В исследовании, опубликованном в Nature Materials под руководством Даниэля Жировца из Группа Катсарос в IST Austria в тесном сотрудничестве с исследователями из Межуниверситетского центра L-NESS в Комо, Италия, ученые создали новую и многообещающую систему кандидатов для надежных кубитов.

Отсутствие вращения

Исследователи создали кубит, используя вращение так называемого . Каждая дырка – это просто отсутствие электрона в . Удивительно, но отсутствующая отрицательно заряженная частица физически может рассматриваться как положительно заряженная частица. Он может даже перемещаться в твердом теле, когда соседний электрон заполняет дыру. Таким образом, дыра, описанная как положительно заряженная частица, фактически движется вперед.

Эти дыры несут даже квантово-механические свойство вращения и могут взаимодействовать, если они приближаются друг к другу. «Наши коллеги из L-NESS уложили несколько различных смесей кремния и германия толщиной всего несколько нанометров друг на друга. Это позволяет нам ограничить отверстия слоем, богатым германием, в середине», – объясняет Жировец. «Сверху мы добавили крошечные электрические провода – так называемые ворота – для управления движением отверстий путем подачи на них напряжения. Положительно заряженные электрически отверстия реагируют на напряжение и могут очень точно перемещаться внутри своего слоя»

Используя этот наномасштаб, ученые переместили две дыры близко друг к другу, чтобы создать кубит из их взаимодействующих вращений. . Но для этого им нужно было приложить магнитное поле ко всей установке. Здесь в игру вступает их новаторский подход.

Связывание кубитов

В своей настройке Жировец и его коллеги не только перемещают дыры, но и изменяют их свойства. Разработав различные свойства дырок, они создали кубит из двух взаимодействующих спинов дырок, используя менее десяти миллитесла напряженности магнитного поля. Это слабое магнитное поле по сравнению с другими подобными установками кубитов, которые используют поля как минимум в десять раз сильнее.

Но почему это актуально? «Используя нашу установку из слоистого германия, мы можем уменьшить необходимое силы и, следовательно, позволяют комбинацию нашего со сверхпроводниками, обычно подавляемыми сильными магнитными полями », – говорит Жировец. Сверхпроводники – материалы без какого-либо электрического сопротивления – поддерживают соединение нескольких кубитов из-за своей квантово-механической природы. Это может позволить ученым создавать квантовые компьютеры нового типа, сочетающие полупроводники и сверхпроводники.

В дополнение к новым техническим возможностям эти дырочные спиновые кубиты выглядят многообещающими из-за их скорости обработки. До ста миллионов операций в секунду, а также длительный срок службы до 530 микросекунды кажутся особенно подходящими для . Обычно между этими свойствами существует компромисс, но этот новый дизайн объединяет оба преимущества.



Больше информации: Синглет-триплетный дырочный спиновый кубит в плоском Ge, Природа Материалы (2021). DOI: 10. 1038 / s – 021 – 01022 – 2 , www.nature.com/articles/s41563 – 021 – 1038 – 2