Квантовый компьютер спин-кубита

— Квантовый компьютер спинового кубита это квантовый компьютер, основанный на управлении спином носителей заряда ( электронов и электронных дырок ) в полупроводниковых устройствах. ^{[ 1 ]} Первый квантовый компьютер со спиновым кубитом был впервые предложен Дэниелом Лоссом и Дэвидом П. ДиВинченцо в 1997 году. ^{[ 1 ]}^{[ 2 ]} также известный как квантовый компьютер Лосса-ДиВинченцо . ^{[ нужна ссылка ]} Предложение заключалось в том, чтобы использовать внутреннюю степень свободы со спином 1/2 отдельных электронов, заключенных в квантовых точках, в качестве кубитов . Это не следует путать с другими предложениями, которые используют ядерный спин в качестве кубита, такими как квантовый компьютер Кейна или квантовый компьютер ядерного магнитного резонанса . Intel разработала квантовые компьютеры на основе кремниевых спиновых кубитов, также называемых горячими кубитами. ^{[ 3 ]}^{[ 4 ]}^{[ 5 ]}

Спиновые кубиты до сих пор были реализованы путем локального обеднения двумерных электронных газов в полупроводниках, таких как арсенид галлия . ^{[ 6 ]}^{[ 7 ]} кремний ^{[ 8 ]} и германий . ^{[ 9 ]} Спиновые кубиты также были реализованы в графене . ^{[ 10 ]}

Предложение Потери – ДиВиченцо

Двойная квантовая точка . Каждый спин электрона SL _в или SR _. определяет одну квантовую двухуровневую систему или спиновый *кубит* предложении Лосса-ДиВинченцо Узкий затвор между двумя точками может модулировать связь, позволяя выполнять операции обмена .

Предложение квантового компьютера Лосса-ДиВиченцо пыталось выполнить критерии ДиВинченцо для масштабируемого квантового компьютера. ^{[ 11 ]} а именно:

идентификация четко определенных кубитов;
надежная государственная подготовка;
низкая декогеренция;
точные операции с квантовыми воротами и
сильные квантовые измерения.

Кандидатом на роль такого квантового компьютера является система латеральных квантовых точек . Ранее работа по применению квантовых точек для квантовых вычислений была проведена Баренко и др. ^{[ 12 ]}

Реализация двухкубитного вентиля

Квантовый компьютер Лосса-ДиВинченцо работает, в основном, используя напряжение между точками затвора для реализации операций обмена и локальные магнитные поля (или любые другие локальные манипуляции со спином) для реализации управляемого вентиля НЕ (вентиль CNOT).

Операция обмена достигается путем приложения импульсного напряжения между точками затвора, поэтому константа обмена в гамильтониане Гейзенберга становится зависимой от времени:

H_{\rm {s}}(t)=J(t)\mathbf {S} _{\rm {L}}\cdot \mathbf {S} _{\rm {R}}.

Это описание действительно только в том случае, если:

расстояние между уровнями в квантовой точке $\Delta E$ намного больше, чем $\;kT$
шкала времени импульса $\tau _{\rm {s}}$ больше, чем $\hbar /\Delta E$ , поэтому времени для переходов на более высокие орбитальные уровни нет и
декогеренции время $\Gamma ^{-1}$ длиннее, чем $\tau _{\rm {s}}.$

$k$ – постоянная Больцмана и $T$ это температура в Кельвинах .

Из импульсного гамильтониана следует оператор эволюции во времени

U_{\rm {s}}(t)={\mathcal {T}}\exp \left\{-i\int _{0}^{t}dt'H_{\rm {s}}(t')\right\},

где ${\mathcal {T}}$ — символ временного порядка .

Мы можем выбрать конкретную длительность импульса так, чтобы интеграл по времени по $J(t)$ дает $J_{0}\tau _{\rm {s}}=\pi {\pmod {2\pi }},$ и $U_{\rm {s}}$ становится оператором свопа $U_{\rm {s}}(J_{0}\tau _{\rm {s}}=\pi )\equiv U_{\rm {sw}}.$

Этот импульс длится половину времени (при $J_{0}\tau _{\rm {s}}=\pi /2$ ) приводит к квадратному корню из вентиля подкачки, $U_{\rm {sw}}^{1/2}.$

Вентиль «ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ» может быть достигнут путем объединения $U_{\rm {sw}}^{1/2}$ операции с отдельными операциями вращения спина :

U_{\rm {XOR}}=e^{i{\frac {\pi }{2}}S_{\rm {L}}^{z}}e^{-i{\frac {\pi }{2}}S_{\rm {R}}^{z}}U_{\rm {sw}}^{1/2}e^{i\pi S_{\rm {L}}^{z}}U_{\rm {sw}}^{1/2}.

The $U_{\rm {XOR}}$ оператор представляет собой условный фазовый сдвиг (управляемый-Z) состояния в базисе $\mathbf {S} _{\rm {L}}+\mathbf {S} _{\rm {R}}$ . ^{[ 2 ]}^: 4 Его можно превратить в вентиль CNOT , окружив желаемый целевой кубит вентилями Адамара .

См. также

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б Вандерсипен, Ливен МК; Эрикссон, Марк А. (01 августа 2019 г.). «Квантовые вычисления со спинами полупроводников» . Физика сегодня . 72 (8): 38. Бибкод : 2019ФТ....72ч..38В . дои : 10.1063/PT.3.4270 . ISSN 0031-9228 . S2CID 201305644 .
^ Jump up to: ^а ^б Потеря, Дэниел; ДиВинченцо, Дэвид П. (1 января 1998 г.). «Квантовые вычисления с квантовыми точками» . Физический обзор А. 57 (1): 120–126. arXiv : cond-mat/9701055 . Бибкод : 1998PhRvA..57..120L . дои : 10.1103/physreva.57.120 . ISSN 1050-2947 .
^ «Intel представляет квантовому сообществу 12-кубитный кремниевый квантовый чип» . 22 июня 2023 г.
^ «Intel вступает в скачки квантовых вычислений с 12-кубитным чипом» .
^ «Что Intel планирует на будущее квантовых вычислений: горячие кубиты, чипы холодного управления и быстрое тестирование — IEEE Spectrum» .
^ Петта, младший (2005). «Когерентное управление связанными электронными спинами в полупроводниковых квантовых точках». Наука . 309 (5744): 2180–2184. Бибкод : 2005Sci...309.2180P . дои : 10.1126/science.1116955 . ISSN 0036-8075 . ПМИД 16141370 . S2CID 9107033 .
^ Блюм, Хендрик; Фолетти, Сандра; Недер, Ижар; Руднер, Марк; Махалу, Диана; Уманский Владимир; Якоби, Амир (2010). «Время дефазировки электронно-спиновых кубитов GaAs, связанных с ядерной ванной, превышает 200 мкс» . Физика природы . 7 (2): 109–113. дои : 10.1038/nphys1856 . ISSN 1745-2473 .
^ Ван, Сыин; Квернер, Клаудия; Дадош, Тали; Крауч, Кэтрин Х.; Новиков Дмитрий С.; Дрндич, Мария (2011). «Коллективное усиление флуоресценции в кластерах наночастиц» . Природные коммуникации . 2 (1): 364. Бибкод : 2011NatCo...2..364W . дои : 10.1038/ncomms1357 . ISSN 2041-1723 . ПМИД 21694712 .
^ Ватцингер, Ханнес; Кукучка, Йосип; Вукушич, Лада; Гао, Фэй; Ван, Тин; Шеффлер, Фридрих; Чжан, Цзянь-Цзюнь; Кацарос, Георгиос (25 сентября 2018 г.). «Спиновый кубит германиевой дырки» . Природные коммуникации . 9 (1): 3902. arXiv : 1802.00395 . Бибкод : 2018NatCo...9.3902W . дои : 10.1038/s41467-018-06418-4 . ISSN 2041-1723 . ПМК 6156604 . ПМИД 30254225 .
^ Трау слип, Бьёрн; Булаев Денис В.; Потеря, Дэниел; Буркард, Гвидо (2007). «Спиновые кубиты в квантовых точках графена». Физика природы . 3 (3): 192–196. arXiv : cond-mat/0611252 . Бибкод : 2007NatPh...3..192T . дои : 10.1038/nphys544 . ISSN 1745-2473 . S2CID 119431314 .
^ Д.П. ДиВинченцо, в мезоскопическом электронном транспорте, Vol. 345 Института перспективных исследований НАТО, серия E: Прикладные науки, под редакцией Л. Зона, Л. Кувенховена и Г. Шона (Kluwer, Дордрехт, 1997); на arXiv.org в декабре 1996 г.
^ Баренко, Адриано; Дойч, Дэвид; Экерт, Артур; Йоша, Ричард (1995). «Условная квантовая динамика и логические вентили». Физ. Преподобный Летт . 74 (20): 4083–4086. arXiv : Quant-ph/9503017 . Бибкод : 1995PhRvL..74.4083B . doi : 10.1103/PhysRevLett.74.4083 . ПМИД 10058408 . S2CID 26611140 .

Внешние ссылки

QuantumInspire Онлайн-платформа Делфтского технологического университета позволяет создавать и запускать квантовые алгоритмы на процессоре «Spin-2» с двумя кремниевыми спин-кубитами.

[:0-1] Jump up to: ^а ^б Вандерсипен, Ливен МК; Эрикссон, Марк А. (01 августа 2019 г.). «Квантовые вычисления со спинами полупроводников» . Физика сегодня . 72 (8): 38. Бибкод : 2019ФТ....72ч..38В . дои : 10.1063/PT.3.4270 . ISSN 0031-9228 . S2CID 201305644 .

[Loss-DiVincenzo-2] Jump up to: ^а ^б Потеря, Дэниел; ДиВинченцо, Дэвид П. (1 января 1998 г.). «Квантовые вычисления с квантовыми точками» . Физический обзор А. 57 (1): 120–126. arXiv : cond-mat/9701055 . Бибкод : 1998PhRvA..57..120L . дои : 10.1103/physreva.57.120 . ISSN 1050-2947 .

[3] «Intel представляет квантовому сообществу 12-кубитный кремниевый квантовый чип» . 22 июня 2023 г.

[4] «Intel вступает в скачки квантовых вычислений с 12-кубитным чипом» .

[5] «Что Intel планирует на будущее квантовых вычислений: горячие кубиты, чипы холодного управления и быстрое тестирование — IEEE Spectrum» .

[Petta2005-6] Петта, младший (2005). «Когерентное управление связанными электронными спинами в полупроводниковых квантовых точках». Наука . 309 (5744): 2180–2184. Бибкод : 2005Sci...309.2180P . дои : 10.1126/science.1116955 . ISSN 0036-8075 . ПМИД 16141370 . S2CID 9107033 .

[BluhmFoletti2010-7] Блюм, Хендрик; Фолетти, Сандра; Недер, Ижар; Руднер, Марк; Махалу, Диана; Уманский Владимир; Якоби, Амир (2010). «Время дефазировки электронно-спиновых кубитов GaAs, связанных с ядерной ванной, превышает 200 мкс» . Физика природы . 7 (2): 109–113. дои : 10.1038/nphys1856 . ISSN 1745-2473 .

[WangQuerner2011-8] Ван, Сыин; Квернер, Клаудия; Дадош, Тали; Крауч, Кэтрин Х.; Новиков Дмитрий С.; Дрндич, Мария (2011). «Коллективное усиление флуоресценции в кластерах наночастиц» . Природные коммуникации . 2 (1): 364. Бибкод : 2011NatCo...2..364W . дои : 10.1038/ncomms1357 . ISSN 2041-1723 . ПМИД 21694712 .

[9] Ватцингер, Ханнес; Кукучка, Йосип; Вукушич, Лада; Гао, Фэй; Ван, Тин; Шеффлер, Фридрих; Чжан, Цзянь-Цзюнь; Кацарос, Георгиос (25 сентября 2018 г.). «Спиновый кубит германиевой дырки» . Природные коммуникации . 9 (1): 3902. arXiv : 1802.00395 . Бибкод : 2018NatCo...9.3902W . дои : 10.1038/s41467-018-06418-4 . ISSN 2041-1723 . ПМК 6156604 . ПМИД 30254225 .

[TrauzettelBulaev2007-10] Трау слип, Бьёрн; Булаев Денис В.; Потеря, Дэниел; Буркард, Гвидо (2007). «Спиновые кубиты в квантовых точках графена». Физика природы . 3 (3): 192–196. arXiv : cond-mat/0611252 . Бибкод : 2007NatPh...3..192T . дои : 10.1038/nphys544 . ISSN 1745-2473 . S2CID 119431314 .

[11] Д.П. ДиВинченцо, в мезоскопическом электронном транспорте, Vol. 345 Института перспективных исследований НАТО, серия E: Прикладные науки, под редакцией Л. Зона, Л. Кувенховена и Г. Шона (Kluwer, Дордрехт, 1997); на arXiv.org в декабре 1996 г.

[Barenco-12] Баренко, Адриано; Дойч, Дэвид; Экерт, Артур; Йоша, Ричард (1995). «Условная квантовая динамика и логические вентили». Физ. Преподобный Летт . 74 (20): 4083–4086. arXiv : Quant-ph/9503017 . Бибкод : 1995PhRvL..74.4083B . doi : 10.1103/PhysRevLett.74.4083 . ПМИД 10058408 . S2CID 26611140 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]