Kada se spinskim kubitom upravlja brže, sitne promjene napona mogu lakše poremetiti njegov rad. Istraživači sa Sveučilišta u Osaki pokazali su kako jedna dodatna kvantna točka ublažava taj problem. Omogućila im je da neovisnije podešavaju brzinu upravljanja i osjetljivost kubita na električni šum.
Uređaj je izrađen od galijeva arsenida, poluvodičkog materijala u kojem se elektroni mogu zarobiti u vrlo malim područjima. Ta se područja nazivaju kvantnim točkama. Tim Yute Matsumota i Takafumija Fujite u recenziranom radu objavljenom 24. listopada u časopisu npj Quantum Information opisuje kako treća točka mijenja energijska stanja elektrona i olakšava upravljanje jednim kubitom.
Prednost je u tome što se uvjeti rada mogu električno prilagođavati i nakon proizvodnje uređaja. U većim sklopovima pojedini se kubiti ne ponašaju posve jednako, a dio njihovih osobina određuje sama građa uređaja. Dodatna mogućnost podešavanja mogla bi olakšati njihovo usklađivanje.
Tri točke služe upravljanju jednim kubitom
Kubit je osnovna jedinica kvantne informacije. U ovom se pokusu informacija kodira spinom elektrona, njegovim kvantnim svojstvom povezanim s kutnom količinom gibanja. Spin ne treba zamišljati kao doslovno vrtnju male kuglice, ali njegovim se stanjem može upravljati i koristiti ga za kvantne operacije.
U izvedbi poznatoj kao flopping-mode spinski je kubit povezan s gibanjem elektrona između dviju kvantnih točaka. Takva veza omogućuje brzo električno upravljanje spinom. Istodobno promjene napona mogu poremetiti energije od kojih ovisi rad kubita.
Energija treće, pomoćne točke može se zasebno podešavati naponom. Time se mijenjaju i orbitalna stanja elektrona, odnosno dopuštena energijska stanja povezana s njegovim prostornim rasporedom među točkama. Istraživači su tako dobili širi raspon radnih uvjeta u kojem frekvencija kubita slabije reagira na određene naponske promjene, bez gubitka veze potrebne za brzo upravljanje spinom.
Tri kvantne točke u ovom pokusu služe upravljanju jednim spinskim kubitom. Istraživači se usredotočuju na spin jednog elektrona, za razliku od ranijeg pokusa kvantne memorije u kristalu, u kojem je ion iterbija bio povezan sa spinovima okolnih atomskih jezgri.
Povratna veza ispravlja spore promjene
Samo podešavanje energijskih stanja ne uklanja sve smetnje. Tim je uveo i sustav povratne veze: neuronska mreža iz prethodnih mjerenja procjenjuje spore promjene frekvencije kubita, a sustav zatim prilagođava frekvenciju mikrovalnog signala kojim se njime upravlja. Umjetna inteligencija tako pomaže održati upravljanje usklađenim s promjenama u uređaju.
U odabranim uvjetima postignute su Rabijeve frekvencije iznad 100 megaherca, koje opisuju brzinu kojom se spinsko stanje mijenja pod djelovanjem pobudnog signala. Istraživači su zatim nizovima kvantnih operacija ispitali koliko pouzdano kontroliraju kubit. Uz povratnu vezu zabilježili su vjernost operacije od 99,56 posto za zakret spina od četvrtine punog kruga, u trajanju od približno četiri nanosekunde.
Postignuta vjernost opisuje jednu vrstu operacije u ovom laboratorijskom testu, a ne pouzdanost cijelog računala. Treća kvantna točka omogućuje povoljniji odnos brzine i osjetljivosti na naponski šum, dok povratna veza dodatno ispravlja spore promjene frekvencije. Za složenije računanje trebalo bi pouzdano povezati i kontrolirati više kubita.
Sljedeći je izazov provjeriti koliko se takvo podešavanje može prenijeti na složenije sklopove. Istraživači očekuju da bi se isti princip mogao primijeniti i na spinske kubite u siliciju i germaniju. U ovom je radu eksperimentalno prikazana izvedba u galijevu arsenidu.
