Физики провели неразрушающее измерение кубита в квантовой точке

Физики из Австралии и Японии впервые провели квантовое неразрушающее измерение кубита, который состоял из одного электрона в квантовой точке. Ученые показали, что надежность такого измерения составляет более 99,6 процентов. Статья опубликованав Nature Communications.

Существует множество платформ, на основе которых можно построить универсальный квантовый компьютер. Однако, у каждого подхода есть свои недостатки. Например, сверхпроводящие кубиты имеют небольшие времена когерентности по сравнению с другими реализациями, а из холодных атомов трудно построить большой квантовый компьютер.

Квантовые точки — перспективная реализация кубитов, но и они имеют множество проблем. Одна из них — качественное измерение кубитов, которое не разрушает квантовое состояние системы. В данном контексте кубитами считаются одиночные электроны в квантовых точках, а состояния 0 и 1 описываются электронным спином.

Ученые из Австралии и Японии под руководством профессора Сейго Таруча (Seigo Tarucha) из научного центра RIKEN предложили измерять кубит в квантовой точке с помощью другого электрона, запутанного с кубитом. Такая реализация позволяет долго сохранять состояние рабочего кубита, что необходимо, например, для реализации кодов коррекции ошибок.

Для проверки неразрушающего считывания физики поместили два электрона в квантовые точки из Si/SiGe — один из электронов использовался в качестве рабочего кубита, а другой в качестве анциллы для измерения. Связь кубитов ученые контролировали магнитным полем, которое создавал микромагнит на чипе.

Схема физической реализации двух кубитов, представляющих из себя два электрона, которые ученые поместили в квантовые точки.

J. Yoneda, et al. — Nature Communications 11, 1144 (2020)

Для того, чтобы использовать такое измерение в полноценных квантовых алгоритмах, необходимо проверить, что считывание состояния анциллы действительно не воздействует на рабочий кубит. Физики показали, что анциллу можно измерять более 30 раз прежде чем рабочий кубит портится. Такое количество измерений исходит из-за небольшого времени жизни кубита, а не из-за реализации измерения. Единичное считывание с помощью анциллы дает правильный результат с вероятностью 99,6 процентов.

Более того, используя совместное считывание анциллы и кубита, исследователи показали, что состояние двух электронов сильно коррелированы, что является необходимым условием для проведения квантового неразрушающего измерения.

Квантовая схема измерения: рабочий кубит запутывается с анциллой, и затем анцилла измеряется. Для проверки метода считывания ученые так же измеряли рабочий кубит и сравнивали результаты.

J. Yoneda, et al. — Nature Communications 11, 1144 (2020)

Совместные осцилляции Раби, которые указывают на то, что два кубита сильно коррелированы.

J. Yoneda, et al. — Nature Communications 11, 1144 (2020)

 

С помощью разработанного физиками измерения появляется возможность промерять четность состояний многих кубитов, что позволяет быстро узнавать состояние мультикубитной системы. В сочетании с качественными одно- и двухкубитными операциями такой способ извлечения информации открывает дорогу к созданию устойчивых к ошибкам квантовых компьютеров на основе квантовых точек.

Больше про квантовые компьютеры и вычисления вы можете узнать в нашей серии материалов «Квантовая азбука».

Михаил Перельштейн
 

Источник: N+1