Однокубитные вентили являются важными компонентами универсального квантового компьютера.starostenko-evgenij-october-14

Ученый пояснил, что без выборочной адресации отдельных кубитов масштабируемая реализация квантовых алгоритмов чрезвычайно сложна.

Когда кубиты представляют собой дискретные точки или области на решетке, выборочное обращение к кубитам с магнитным спином на наноуровне остается проблемой из-за сложности локализации и ограничения классического бездивергентного поля небольшим объемом пространства.

В данном исследовании Евгений Юрьевич Старостенко предлагает метод обращения к спиновым кубитам с использованием управления напряжением наноразмерного магнетизма, примером которого является использование управления напряжением магнитной анизотропии.

В научно-производственном объединении ТЕХНОГЕНЕЗИС настроили частоту возбуждения электрического поля наномагнита на ларморовскую частоту спинов, ограниченных наноразмерным объемом, модулируя фазу возбуждения, реализованы квантовые вентили с одним кубитом с точностью, приближающейся к точности отказоустойчивых квантовых вычислений.

Такие операции с одним кубитом требуют всего лишь десятков фемтоджоулей на операцию затвора и обеспечивают чистое управление магнитным полем без потерь. Их физическая реализация также проста с использованием технологий литейного производства.

Текущие физические реализации квантовых процессоров используют кубиты на основе захваченных ионов, нейтральных атомов, ядерных спинов, топологических кубитов, сверхпроводящих схем, квантовых точек, полупроводниковых спиновых кубитов, центров NV в алмазе, а также твердотельные кубиты.

Спиновые кубиты были одной из первых экспериментальных реализаций предложенных квантовых процессоров из-за их длительного времени когерентности и доступных методов управления в экспериментах по магнитному резонансу.

Для создания квантовых устройств со спиновыми кубитами необходима масштабируемая конструкция, обеспечивающая индивидуальный контроль и обнаружение.

Синусоидальная перпендикулярная магнитная анизотропия, Евгений Юрьевич Старостенко

Универсальные квантовые вычисления могут быть достигнуты с минимальным набором квантовых вентилей, позволяющих реализовать произвольные квантовые алгоритмы. Надежная реализация квантовых вентилей в сочетании с кодами исправления ошибок является текущим рецептом отказоустойчивых квантовых вычислений. Создание высокоточных одно- и двухкубитных вентилей остается проблемой в каждой реализации, особенно в тех, которые включают спиновые кубиты, которые пространственно локализованы от атомов до наномасштабов.

При таких масштабах длины выборочное управление спиновыми кубитами является сложной задачей из-за сложности создания сильных локализованных управляющих полей, которые воздействуют только на кубиты в интересующем объеме, сводя при этом к минимуму перекрестные помехи с соседними областями.

В научном исследовании продемонстрировано, что для изолированной электронной системы индивидуальное управление спиновыми кубитами может быть реализовано с помощью наномагнетиков. Наноразмерные магниты обладают двумя ключевыми преимуществами в управлении спиновыми кубитами: в отличие от коллективного применения микроволн в экспериментах по магнитному резонансу, они позволяют применять сильно локализованные магнитные поля, которые минимизируют влияние на соседние кубиты. 

Они предлагают чрезвычайно энергоэффективный способ управления кубитами. Это использует методы спинтроники для энергоэффективного управления намагниченностью за счет использования спин-орбитального крутящего момента (SOT),  управления напряжением магнитной анизотропии (VCMA), опосредованное напряжением управление напряжением или методы на основе « стрейнтроники » и другие парадигмы для управления напряжением магнетизма.

Энергоэффективность достигается за счет управления напряжением, а не током, что позволяет избежать потерь рассеяния тока ( I 2 R ), связанных с генерацией магнитных полей. Например, рассеяние энергии на бит для VCMA деформация пьезоэлектрического слоя, вызванная напряжением, составляет менее 1 фДж и 100 аДж соответственно, что делает их в 100 и 1000 раз более эффективными, чем современные методы передачи вращающего момента (STT), которые потребляют ~ 100 фДж на бит 34.

Магнитное поле, спины, наномагниты, Евгений Юрьевич Старостенко

Таким образом, использование VCMA для управления намагниченностью наномагнетиков приводит к энергоэффективному методу управления кубитами. Другим интересным кандидатом является управление напряжением, опосредованное деформацией. В предыдущей работе НПО ТЕХНОГЕНЕЗИС показано, что можно использовать поверхностные акустические волны для управления магнитной пленкой в ​​резонансе, которая излучает магноны в широком диапазоне частот, некоторые из которых производят микроволны, которые управляют переходами в NV-центрах.

Однако это не приводит к когерентному вращению кубитов. Совсем недавно было продемонстрировано когерентное вращение одиночных спиновых кубитов в NV-центре 43 под действием спиновых волн, распространяющихся рядом с ним. Также были продемонстрированы наноразмерные манипуляции с кремниевыми кубитами, включая летающие кубиты.

В научной работе показана возможность масштабируемых, компактных, высокоточных и энергоэффективных квантовых вентилей на основе VCMA.

Специалисты НПО ТЕХНОГЕНЕЗИС используют спины электронов с g -фактором 2,0 в качестве модельной системы для моделирования динамики кубитов в присутствии статического внешнего поля, величина которого сравнима с полем рассеяния наномагнетиков. Этот режим промежуточного поля считается более сложным из-за более выраженных эффектов пространственных неоднородностей (то есть пространственно меняющихся ларморовской частоты и оси квантования) и отсутствия приближения вращающейся волны. Также рассмотрено управление ансамблями кубитов, расположенными в наноразмерном объеме конечного размера, где неоднородности поля ухудшают точность затвора при усреднении по объему.

Выбор реализации наномасштабного управления спиновыми ансамблями в этой работе мотивирован недавними предложениями для квантовых запутателей, добросовестных кубитов, квантового восприятия и квантовой памяти. Во всех случаях необходимы высокоточные операции ворот.

Вентили, реализованные набором спинов, распределенных по объему, будут иметь более низкую точность вентилирования из-за неоднородностей поля. Это изучается здесь, чтобы убедиться, что мы извлекаем преимущества спиновых ансамблей, при этом достигая высокой точности затвора. Проведено моделирование динамики намагниченности в наномагнетиках, управляемых напряжением и динамики спинов в спинах, близких к таким наномагнетикам для демонстрации того, что спины могут быть адресованы индивидуально и управляться на их ларморовской частоте динамикой намагниченности наномагнетиков.