В последние годы многие физики и специалисты по информатике работают над разработкой технологий квантовых вычислений. Эти технологии основаны на кубитах, основных единицах квантовой информации.
В отличие от классических битов, которые имеют значение 0 или 1, кубиты могут существовать в состояниях суперпозиции, поэтому они могут иметь значение 0 и 1 одновременно. Кубиты могут быть сделаны из различных физических систем, включая электроны, ядерные спины (то есть спиновое состояние ядра), фотоны и сверхпроводящие цепи.
Электронные спины, заключенные в кремниевые квантовые точки (т. е. Крошечные структуры на основе кремния), показали особую перспективность в качестве кубитов, особенно из-за их длительного времени когерентности, высокой точности затвора и совместимости с существующими методами производства полупроводников. Однако последовательное управление несколькими электронными спиновыми состояниями может быть сложной задачей.
Исследователи из Университета Рочестера недавно представили новую стратегию для последовательного манипулирования одиночными или множественными электронными спинами в кремниевых квантовых точках. Этот метод, представленный в статье, опубликованной в журнале Nature Physics, может открыть новые возможности для разработки надёжных и высокопроизводительных квантовых компьютеров.
"Как и во многих научных экспериментах, мы изначально исследовали не связанную с этим тему, когда начали замечать всевозможные когерентные колебания, появляющиеся в наших данных". Джон Никол, один из учёных, проводивших исследование, сказал: "Нам потребовалось некоторое время, чтобы придумать теоретическое объяснение, но как только мы это сделали, всё встало на свои места. Связь спин-долина исследовалась ранее много раз, но никогда именно не опосредовала когерентные переходы между различными спиновыми состояниями ".
Стратегия управления спинами электронов в кремнии, предложенная Николом и его коллегами, использует преимущества связи спин-долина, взаимодействия между спиновыми и долинными состояниями электрона. Электроны в кремниевых квантовых точках имеют как спиновые, так и долинные квантовые числа. Их вращательное состояние может быть "вверх" или "вниз", в то время как их долинное состояние может быть + или -.
"При определённом магнитном поле энергия состояния "вверх","+", например, может быть почти равна энергии состояния "вниз", - объяснил Никол. "Поскольку разница в энергии между состояниями + и— зависит от электрических полей, мы можем использовать импульс напряжения, чтобы затем привести + точно в резонанс с понижением -. Когда это произойдет, электрон, первоначально подготовленный в состоянии "вверх", "+", будет когерентно колебаться в направлении "вниз", "-" и обратно и вперёд. Это колебания спиновой долины ".
До сих пор стандартный метод манипулирования спинами электронов в кремниевых квантовых точках предполагал использование изменяющихся во времени магнитных полей. Никол и его коллеги показали, что их стратегия позволяет когерентно манипулировать спинами электронов без необходимости использования колеблющихся электромагнитных полей.
"Осциллирующие магнитные поля может быть особенно трудно генерировать при криогенных температурах, и спин-долинная связь устраняет эту необходимость", - сказал Никол. "Ещё одним достижением является то, что степень свободы долины в кремнии часто рассматривалась как "ошибка", а не особенность кремниевых кубитов, но наша работа показывает, что это может быть очень полезной функцией".
Недавняя работа этой группы исследователей подчёркивает перспективность использования спин-долинной связи для достижения когерентного управления кубитами на основе электронных спинов, заключённых в кремниевых квантовых точках. В своих следующих статьях они надеются лучше понять, какие характеристики роста, изготовления и настройки квантовых точек могут повлиять на связь спин-долин, поскольку это может послужить дополнительной информацией для создания технологий квантовых вычислений на основе электронов.
"Мы также хотели бы изучить, как можно было бы реализовать многокубитные вентили в этой структуре", - добавил Никол. "Одна из проблем заключается в том, что магнитное поле необходимо настраивать отдельно для каждого кубита, и мы изучаем действительные способы реализации этого".