Новый метод управления спином электрона открывает путь к созданию эффективных квантовых компьютеров

Квантовая наука способна произвести революцию в современных технологиях, создав более эффективные компьютеры, а также коммуникационные и сенсорные устройства.

Однако в достижении этих технологических целей остаются проблемы, включая то, как именно можно управлять информацией в квантовых системах.

В работе, опубликованной в журнале Nature Physics, группа исследователей из Рочестерского университета, включая Джона Никола, доцента физики, описывает новый метод управления спином электронов в кремниевых квантовых точках — крошечных наноразмерных полупроводниках с поразительными свойствами — как способ управления информацией в квантовой системе.

Результаты исследования дают новый многообещающий механизм последовательного управления кубитами на основе электронного спина в полупроводниковых квантовых точках, что может проложить путь к созданию практического квантового компьютера на основе кремния, — говорит Никол.

Использование квантовых точек в качестве кубитов

Обычный компьютер состоит из миллиардов транзисторов, называемых битами. А квантовые компьютеры основаны на квантовых битах, также известных как кубиты. В отличие от обычных транзисторов, которые могут быть в состоянии либо «0» (выключены), либо „1“ (включены), кубиты подчиняются законам квантовой механики и могут быть одновременно и „0“, и „1“.

Ученые давно рассматривали возможность использования кремниевых квантовых точек в качестве кубитов; управление спином электронов в квантовых точках позволило бы управлять передачей квантовой информации. Каждый электрон в квантовой точке обладает внутренним магнетизмом, подобно крошечному магниту. Ученые называют это электронным спином или спином электрона — магнитным моментом, связанным с каждым электроном, потому что каждый электрон представляет собой отрицательно заряженную частицу, которая ведет себя так, как будто она быстро вращается, и именно это движение вызывает магнетизм.

Спин электрона является перспективным кандидатом для передачи, хранения и обработки информации в квантовых вычислениях, поскольку он обеспечивает длительное время когерентности и высокую точность перехода, а также совместим с передовыми технологиями производства полупроводников.

Время когерентности кубита — это время до потери квантовой информации из-за взаимодействия с шумной средой; большая когерентность означает большее время для выполнения вычислений. Высокая точность перехода означает, что квантовая операция, которую пытаются выполнить исследователи, будет выполнена именно так, как они хотят.

Однако одной из основных проблем при использовании кремниевых квантовых точек в качестве кубитов является управление спином электрона.

Управление спином электрона

Стандартным методом управления спином электрона является электронный спиновый резонанс (ЭСР), который включает в себя применение к кубитам осциллирующих радиочастотных магнитных полей. Однако этот метод имеет ряд ограничений, включая необходимость генерировать и точно контролировать осциллирующие магнитные поля в криогенной среде, в которой работает большинство электронных спиновых кубитов.

Обычно для генерации осциллирующих магнитных полей исследователи пропускают ток через провод, при этом выделяется тепло, которое может нарушить криогенную среду.

Никол и его коллеги описали новый метод управления спином электронов в кремниевых квантовых точках, который не зависит от осциллирующих электромагнитных полей. Метод основан на явлении под названием спин-долинная связь, которое возникает, когда электроны в кремниевых квантовых точках переходят между различными спиновыми и долинными состояниями. В то время как спиновое состояние электрона относится к его магнитным свойствам, долинное состояние относится к другому свойству, связанному с пространственным профилем электрона.

Исследователи применяют импульс напряжения для использования эффекта спин-долинной связи и манипулируют спиновым и долинным состояниями, управляя спином электрона.

Этот метод когерентного управления с помощью спин-долинной связи обеспечивает универсальный контроль над кубитами и может осуществляться без использования осциллирующих магнитных полей, что является ограничением ЭПР, — заключил Никол.

Это открывает нам новую возможность использования кремниевых квантовых точек для управления информацией в квантовых компьютерах.

30.01.2023


Подписаться в Telegram



Net&IT

Мемристоры сделают компьютеры будущего умными, как мозг
Мемристоры сделают компьютеры будущего умными, как мозг

Новое вещество для изменения работы устро...

В МФТИ создали бота для распознавания нот
В МФТИ создали бота для распознавания нот

Студенты МФТИ создали программу под назва...

Plant Phenomics: Как технологии помогают фермерам сохранить урожай риса
Plant Phenomics: Как технологии помогают фермерам сохранить урожай риса

Благодаря новым технологиям искусственный инте...

Челябинские ученые сделают коммунальные машины автономными
Челябинские ученые сделают коммунальные машины автономными

Программу для управления техникой, котора...

Студенты ТИСБИ разработали проект онлайн-платформы для геймеров
Студенты ТИСБИ разработали проект онлайн-платформы для геймеров

Студенты Университета управления ТИСБИ в ...

Nature: Созданные ИИ тексты будут размечаться водяными знаками
Nature: Созданные ИИ тексты будут размечаться водяными знаками

Исследователи из лондонской лаборатории G...

Российская игра о наполеоновских войнах станет бесплатной
Российская игра о наполеоновских войнах станет бесплатной

У российской аудитории растет интерес к в

В НГУ запустили пилотный кластер суперкомпьютерного центра «Лаврентьев»
В НГУ запустили пилотный кластер суперкомпьютерного центра «Лаврентьев»

В Новосибирском государственном университете з...

Эксперты МИФИ объяснили решение Microsoft и Google о мирном атоме
Эксперты МИФИ объяснили решение Microsoft и Google о мирном атоме

Технологические корпорации всё чаще обращ...

HB&ET: Пожилые чаще молодых относятся к ИИ как к кому-то живому
HB&ET: Пожилые чаще молодых относятся к ИИ как к кому-то живому

В исследовании Имперского колледжа Лондона люд...

В МФТИ создали ПО для нефтяников и золотодобытчиков
В МФТИ создали ПО для нефтяников и золотодобытчиков

Сотрудники МФТИ предложили цифровое решение, к...

Поиск на сайте

Знатоки клуба инноваций


ТОП - Новости мира, инновации

«Электронные татуировки» вместо ЭЭГ: новая технология позволит «читать мысли»
«Электронные татуировки» вместо ЭЭГ: новая технология позволит «читать мысли»
Как виртуальная модель нашей планеты может стать ключом к спасению человечества
Как виртуальная модель нашей планеты может стать ключом к спасению человечества
Изобретение МИСИС может изменить жизнь людей с травмами спинного мозга
Изобретение МИСИС может изменить жизнь людей с травмами спинного мозга
CMAJ: Скрининг на рак легких помогает обнаружить проблемы с сердцем
CMAJ: Скрининг на рак легких помогает обнаружить проблемы с сердцем
Хаббл нашел звездные ясли в 38 млн световых лет от Земли
Хаббл нашел звездные ясли в 38 млн световых лет от Земли
NatElec: Найден способ менять форму полупроводников: как это изменит электронику
NatElec: Найден способ менять форму полупроводников: как это изменит электронику
Древнее послание из прошлого: что скрывает тайная надпись, найденная на Кипре
Древнее послание из прошлого: что скрывает тайная надпись, найденная на Кипре
Как наши предки научились ходить на двух ногах — раскрыт секрет прямохождения
Как наши предки научились ходить на двух ногах — раскрыт секрет прямохождения
Physical Review Letters: Темная материя появилась во время космической инфляции
Physical Review Letters: Темная материя появилась во время космической инфляции
Как суслики выживают без воды и еды 6–8 месяцев: ученые раскрыли секрет спячки
Как суслики выживают без воды и еды 6–8 месяцев: ученые раскрыли секрет спячки
PhysRevLett: Найден способ улучшить аккумуляторы с помощью квантовой механики
PhysRevLett: Найден способ улучшить аккумуляторы с помощью квантовой механики
Energy: Появилось инновационное решение для получения солнечной энергии с небес
Energy: Появилось инновационное решение для получения солнечной энергии с небес
Как графен может изменить вашу жизнь: от питьевой воды до тепла в доме
Как графен может изменить вашу жизнь: от питьевой воды до тепла в доме
IEEE Access: Устройства смогут считывать человеческие эмоции без камеры
IEEE Access: Устройства смогут считывать человеческие эмоции без камеры
Science Advances: Потепление снижает иммунитет забавных обезьян-капуцинов
Science Advances: Потепление снижает иммунитет забавных обезьян-капуцинов

Новости компаний, релизы

Нижегородский ЗГМ провел испытания разработанных по нацпроекту радиопоглощающих материалов
В Уфе прошёл Science Slam «Нефтяной 2030»
«Яндекс ТВ»: возможности, интеграция и чем он отличается от других смарт-телевизоров
Итоги IV конгресса молодых ученых
В РАМ имени Гнесиных пройдет курс «Gnesin Forum. Карьера в музыкальной индустрии»