La primera demostración de control universal de qubits de espín codificados

Dispositivo de trineo de seis puntos
Representación de un dispositivo SLEDGE de seis puntos en silicio, que implementó una lógica general utilizando un Spin qubit codificado. Crédito: Laboratorios HRL

La computación cuántica (QC) presenta ejemplos conocidos de aceleración de hardware para problemas específicos, pero es difícil de implementar debido a su susceptibilidad a pequeños errores por ruido o control incompleto. Los principios de tolerancia a fallas pueden permitir la aceleración computacional utilizando hardware imperfecto, pero imponen requisitos estrictos sobre la naturaleza y la interconexión de los errores.

Para muchas tecnologías de cúbits, algunos de los desafíos para lograr la tolerancia a fallas se remontan a los errores asociados que surgen de la necesidad de controlar el cúbit mediante inyecciones resonantes de cúbits coincidentes de energía de microondas. HRL Laboratories, LLC, ha publicado la primera demostración de control integral de qubits de espín codificados. El experimento demostró el control global de los qubits codificados, lo que significa que los qubits se pueden usar con éxito para cualquier tipo de implementación de algoritmo computacional cuántico.

Este nuevo enfoque emergente para la computación cuántica utiliza una nueva arquitectura de dispositivo qubit basada en silicio que atrapa electrones individuales en puntos cuánticos. Tres de estos electrones solitarios tienen estados de qubit graduados en energía gobernados por interacciones de contacto con el vecino más cercano que intercambian parcialmente estados de espín vecinos.

Dado que el experimento ha demostrado que sus qubits codificados pueden controlarse universalmente, cualquier técnica computacional cuántica puede implementarse de manera efectiva utilizando qubits. Los qubits cuánticos para puntos cuánticos de silicio/silicio-germanio utilizan tres giros de electrones y una técnica de control mediante la cual los voltajes aplicados a las puertas de metal cambian parcialmente las direcciones de giro de esos electrones sin alinearlos en ningún orden.

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Durante la presentación, se aplicaron docenas de pulsos de voltaje cuidadosamente calibrados uno tras otro muy cerca durante unas pocas millonésimas de segundo.

El silicio enriquecido con isótopos, el control eléctrico completo de los procesos de intercambio parcial con poca superposición, la insensibilidad configurable del códec a fuentes de error específicas y la coherencia cuántica que proporciona, todo funciona en conjunto para proporcionar un camino vital hacia la tolerancia de error escalable y los cálculos de características, que son críticos. pasos hacia una computadora cuántica comercial. .

El científico de HRL y autor principal Aaron Weinstein dijo: «Además de los desafíos obvios de diseño y fabricación, se tuvo que escribir una gran cantidad de software sólido, por ejemplo, para ajustar y calibrar nuestro sistema de control. Se hizo un esfuerzo considerable para desarrollar procedimientos automatizados y eficientes para determinar el voltaje aplicado que resultó en el grado de intercambio parcial. Como no lo fue, se deben realizar miles de estas operaciones para determinar los niveles de error, cada proceso debe ser preciso. Hemos trabajado mucho para que todo este control funcione con alta precisión».

El líder del grupo HRL y coautor Mitch Jones dijo: «Este fue un gran esfuerzo de equipo. El trabajo habilitador de talentosos equipos de software de control, la teoría, el crecimiento del hardware y la fabricación fue fundamental. Además, se requirieron muchas mediciones de instrumentos para comprender lo suficiente de la física interna y desarrollar procedimientos para controlar mejor estos interacciones mecánicas cuánticas «. confiable. Este trabajo e ilustración es la culminación de esas mediciones, mejoradas aún más al trabajar junto con algunos de los científicos más brillantes que he conocido».

Thaddeus Ladd, líder del grupo HRL y coautor Él dijoY «Es difícil identificar la mejor tecnología qubit, pero creo que los qubits solo de silicio son al menos los mejores. Todavía hay desafíos reales para mejorar el error, la escala, la velocidad, la uniformidad, la diafonía y otros aspectos, pero nada de esto requiere un milagro. Para muchos otros tipos de qubits, al menos un aspecto todavía parece difícil».

Si se amplían, las computadoras cuánticas serán diferentes de las supercomputadoras tradicionales en que utilizarán una propiedad frágil de la física cuántica conocida como entrelazamiento cuántico para realizar algunos cálculos que normalmente tomarían años o décadas para las computadoras convencionales. La simulación del comportamiento de las macromoléculas es uno de esos cálculos entre muchas aplicaciones concebibles.

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Referencia de la revista:

  1. Aarón J. Weinstein et al. Lógica universal con qubits rotacionales codificados en silicio Nature (2023). DOI: 10.1038 / s41586-023-05777-3

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