Qubits de spin cambaleantes para lógica quântica universal podem melhorar o controle em matrizes maiores

Pesquisadores da QuTech desenvolveram qubits de spin cambaleante para lógica quântica universal. Essa conquista pode permitir o controle eficiente de grandes matrizes de qubits semicondutores. O grupo de pesquisa publicou sua demonstração de spins saltitantes em Comunicações da Natureza e seu trabalho em giros mortais em Ciência.

Em 1998, Loss e DiVincenzo publicaram o trabalho seminal “Quantum computation with quantum dots”. Em seu trabalho original, o salto de spins foi proposto como base para a lógica de qubits, mas uma implementação experimental permaneceu ausente. Depois de mais de 20 anos, os experimentos alcançaram a teoria. Pesquisadores da QuTech — uma colaboração entre a TU Delft e a TNO — demonstraram que os ‘hopping gates’ originais são de fato possíveis, com desempenho de última geração.

Simplificando o controle

Qubits baseados em pontos quânticos são estudados no mundo todo, pois são considerados uma plataforma atraente para a construção de um computador quântico. A abordagem mais popular é capturar um único elétron e aplicar um campo magnético suficientemente grande, permitindo que o spin do elétron seja usado como um qubit e controlado por sinais de micro-ondas.

Neste trabalho, no entanto, os pesquisadores demonstram que nenhum sinal de micro-ondas é necessário. Em vez disso, sinais de banda base e pequenos campos magnéticos são suficientes para atingir o controle universal de qubit. Isso é benéfico porque pode simplificar significativamente a eletrônica de controle necessária para operar futuros processadores quânticos.

De qubits saltitantes a cambalhotas

Controlar o spin requer pular de ponto em ponto e um mecanismo físico capaz de girá-lo. Inicialmente, a proposta de Loss e DiVincenzo usa um tipo específico de ímã, o que se mostrou difícil de realizar experimentalmente.

Em vez disso, o grupo da QuTech foi pioneiro no germânio. Este semicondutor pode convenientemente, por si só, já permitir rotações de spin. Isto é motivado pelo trabalho publicado em Comunicações da Naturezaonde Floor van Riggelen-Doelman e Corentin Déprez do mesmo grupo mostram que o germânio pode servir como uma plataforma para saltos de qubits de spin como base para fazer ligações quânticas. Eles observaram as primeiras indicações de rotações de spin.

Ao considerar a diferença entre qubits saltitantes e cambalhotas, pense em matrizes de pontos quânticos como um parque de trampolim, onde os spins dos elétrons são como pessoas pulando. Normalmente, cada pessoa tem um trampolim dedicado, mas elas podem pular para trampolins vizinhos, se disponíveis. O germânio tem uma propriedade única: apenas pulando de um trampolim para o outro, uma pessoa experimenta um torque que a faz dar uma cambalhota. Essa propriedade permite que os pesquisadores controlem os qubits de forma eficaz.

Chien-An Wang, primeiro autor do Ciência artigo, especifica, “O germânio tem a vantagem de alinhar spins ao longo de diferentes direções em diferentes pontos quânticos.” Descobriu-se que qubits muito bons podem ser feitos saltando spins entre esses pontos quânticos. “Medimos taxas de erro menores que mil para portas de um qubit e menores que cem para portas de dois qubits.”

Qubits dando cambalhotas em um parque de trampolim

Tendo estabelecido o controle sobre dois spins em um sistema de quatro pontos quânticos, a equipe deu um passo adiante. Em vez de pular spins entre dois pontos quânticos, a equipe também investigou pular por vários pontos quânticos. Analogamente, isso corresponderia a uma pessoa que está pulando e dando cambalhotas sobre muitos trampolins. O coautor Valentin John explica: “Para a computação quântica, é necessário operar e acoplar um grande número de qubits com alta precisão.”

Diferentes trampolins fazem as pessoas experimentarem torques diferentes ao pular, e similarmente, giros de salto entre pontos quânticos também resultam em rotações únicas. Portanto, é importante caracterizar e entender a variabilidade.

O coautor Francesco Borsoi acrescenta: “Estabelecemos rotinas de controle que permitem saltar spins para qualquer ponto quântico em uma matriz de 10 pontos quânticos, o que nos permite sondar métricas de qubits importantes em sistemas estendidos.”

“Estou orgulhoso de ver todo o trabalho em equipe”, diz o pesquisador principal Menno Veldhorst. “Em um período de um ano, a observação de rotações de qubit devido a saltos se tornou uma ferramenta usada por todo o grupo. Acreditamos que é essencial desenvolver esquemas de controle eficientes para a operação de futuros computadores quânticos e essa nova abordagem é promissora.”