Un punct cuantic suplimentar ajută la echilibrarea vitezei și stabilității qubiților de spin
Cercetătorii de la Universitatea Osaka și colaboratorii lor au demonstrat o metodă prin care constrângerea dintre viteza de operare și sensibilitatea la zgomot a qubiților de spin din semiconductori poate fi relaxată prin adăugarea unui singur punct cuantic suplimentar. Rezultatele au fost publicate în revista npj Quantum Information.
Punctele cuantice sunt regiuni minuscule dintr-un semiconductor care pot confina electroni individuali. În qubiții de spin convenționali de tip „flopping-mode”, două puncte cuantice sunt folosite pentru a muta un electron între locații, ceea ce permite controlul electric rapid al spinului. Totuși, aceleași condiții care cresc viteza de operare pot face qubitul mai vulnerabil la mici fluctuații de tensiune.
Pentru a rezolva acest compromis, cercetătorii au adăugat un al treilea punct cuantic auxiliar, a cărui energie poate fi ajustată electric. Prin reglarea acestui punct suplimentar, ei au remodelat structura energetică orbitală a electronului, o strategie pe care au numit-o „inginerie a benzii orbitale”. Aceasta a creat o regiune de operare mai largă, mai puțin sensibilă la zgomotul de tensiune, păstrând în același timp cuplajul puternic necesar pentru controlul rapid al spinului.
Echipa a obținut frecvențe de operare de peste 100 MHz, ajungând la 271 ± 20 MHz în anumite condiții de reglare. De asemenea, au combinat designul dispozitivului cu un sistem de feedback bazat pe învățare automată, care corecta continuu variațiile lente ale frecvenței qubitului. Astfel, timpul estimat de defazare a crescut de la aproximativ 52 de nanosecunde la 580 de nanosecunde.
Testele de evaluare aleatoare au arătat o fidelitate a porților de 4 nanosecunde de 99,56% cu feedback, urcând la 99,72% cu optimizare suplimentară a pulsurilor. „În punctele cuantice din GaAs, zgomotul magnetic face ca controlul electric rapid să fie deosebit de important, în timp ce controlul electric face ca zgomotul de tensiune să fie relevant”, a declarat Takafumi Fujita. „Adăugând un punct cuantic auxiliar, am introdus un grad suplimentar de libertate pentru reglarea frecvenței qubitului și am putut explora regiuni de operare mai puțin sensibile la zgomotul electric.”
Această abordare ar putea oferi un principiu util de proiectare pentru corectarea variațiilor dintre dispozitive după fabricare, o provocare cheie în scalarea calculatoarelor cuantice cu semiconductor la un număr foarte mare de qubiți. Cercetătorii se așteaptă ca acest concept să poată fi aplicat și qubiților de spin bazați pe siliciu și germaniu.
