Кубиты из дырок помогут масштабировать квантовые компьютеры

Новое исследование указывает на недостатки решения проблемы компромисса между скоростью работы и когерентностью потенциального масштабирования кубитов до мини-квантового компьютера.

По прогнозам, квантовые компьютеры будут намного более мощными и функциональными, чем сегодняшние «классические» компьютеры.
Один из способов сделать квантовый бит - использовать спин электрона. Чтобы сделать квантовые компьютеры максимально быстрыми и энергоэффективными, хотелось бы работать с ними, используя только электрические поля, которые прикладываются с помощью обычных электродов.

Хотя спин обычно не взаимодействует с электрическими полями, в некоторых материалах спины могут косвенно взаимодействовать с ними, и это одни из самых «горячих» материалов, изучаемых в настоящее время в квантовых вычислениях.

Взаимодействие, которое позволяет спинам взаимодействовать с электрическими полями, называется спин-орбитальным взаимодействием и восходит к теории относительности Эйнштейна.

Исследователи квантовых вычислений опасались, что при сильном взаимодействии любое увеличение скорости работы будет компенсировано потерей когерентности (по сути, того, как долго мы можем сохранять квантовую информацию).

«Если электроны начинают взаимодействовать с электрическими полями, которые мы применяем в лаборатории, это означает, что они также подвергаются нежелательным флуктуирующим электрическим полям, которые существуют в любом материале (обычно называемые шумом), и хрупкая квантовая информация этих электронов будет уничтожена», - говорит профессор Дими Калсер (Dimi Culcer) из UNSW/FLEET, руководивший теоретическим исследованием.

Но н исследование показало, что эти опасения не оправдываются.
«Наши теоретические исследования показывают, что решение достигается за счет использования дырок, которые можно рассматривать как отсутствие электрона» - отметил он.

Таким образом, квантовый бит можно сделать устойчивым к колебаниям заряда, происходящим из твердого фона.

Более того, «золотая середина», в которой кубит наименее чувствителен к такому шуму, также является точкой, в которой с ним можно работать быстрее всего.

«Наше исследование предсказывает, что такая точка существует в каждом квантовом бите, сделанном из дырок, и предоставляет набор рекомендаций для экспериментаторов, чтобы достичь этих точек в своих лабораториях», - говорит проф. Калсер.

Достижение этих точек упростит экспериментальные усилия по сохранению квантовой информации как можно дольше. Это также предоставит стратегии для масштабирования квантовых битов, то есть создания «массива» битов, который будет работать как мини-квантовый компьютер.

«Это теоретическое предсказание имеет ключевое значение для увеличения масштабов квантовых процессоров, и первые эксперименты уже проведены», - говорит профессор Свен Рогге (Sven Rogge) из Центра квантовых вычислений и коммуникационных технологий (CQC2T).
«Наши недавние эксперименты с дырочными кубитами с использованием акцепторов в кремнии уже продемонстрировали более длительное время когерентности, чем мы ожидали, - отметил проф. Джо Салфи (Joe Salfi) из Университета Британской Колумбии. - Приятно видеть, что эти наблюдения имеют прочную теоретическую основу. Перспективы дырочных кубитов действительно радужны».

                  

Ведущий автор, аспирант Чжаньнин Ван (Zhanning Wang)