Твердотельный квантовый компьютер заработал при температуре выше кельвина
Две группы исследователей независимо продемонстрировали кубиты на основе кремниевых квантовых точек, работающие при температуре выше одного кельвина. Одна из групп также реализовала универсальную квантовую логику на своем двухкубитном процессоре. При таких температурах твердотельные квантовые вычисления становятся простыми и, главное, дешевыми. Обе работы опубликованы в журнале Nature (1, 2).
Квантовые компьютеры способны превзойти свои классические аналоги во многих задачах, от симуляций сложных молекул до разложения больших чисел на простые множители. Однако для решения полезных задач необходимо контролировать миллионы кубитов, что может оказаться серьезной инженерной проблемой. Многообещающие сверхпроводники и квантовые точки работают при температуре десятки милликельвин, а каждый кубит управляется отдельной линией. При увеличении числа кубитов растет и сложность контролирующей системы, которая, в свою очередь, нагревает процессор и разрушает когерентность квантовой системы. К сожалению, современные охлаждающие устройства, криостаты растворения, не способны справится с таким количеством тепла: на температурах порядка милликельвинов охладительная способность криостатов очень низкая.
Одно из возможных решений кроется в увеличении рабочей температуры кубитов до нескольких кельвинов, что позволит использовать чистый гелий, который намного дешевле смеси, используемой в криостатах растворения. Более того, чистый гелий обладает намного более высокой охладительной мощностью.
Две группы физиков под руководством профессора Дзурака (A. S. Dzurak) и профессора Вельдхорста (M. Veldhorst) продемонстрировали кубиты на основе квантовых точек в кремнии, работающие при температуре выше одного кельвина.
Группа профессора Дзурака смогла очень хорошо изолировать свой кубит от внешних шумов, что и позволила поднять рабочую температуру до 1.5 кельвин с небольшими потерями в когерентности.
В эксперименте физики использовали два кубита в квантовых точках. Один из кубитов использовался для логических операций, а другой применялся для неинвазивного измерения. Оба кубита контролировались микроволновыми полями.
Надежность однокубитных операций, котрую ученые промерили с помощью осциляций Раби, составила 99,7 процента, а время когерентности 12 микросекунд при температуре 40 милликельвин. Увеличения температуры до 1,5 кельвин привело к уменьшению надежности до 98,6 процентов, а когерентности до 2 микросекунд.
Группа профессора Дзурака не исследовала один важный аспект универсальных квантовых вычислений — двухкубитные операции, необходимые для создания квантовой запутанности. Группа профессора Вельдхорста использовала такую же схему с двумя кремниевыми квантовыми точками и смогла реализовать однокубитные, двухкубитные операции и считывание при температуре 1,1 кельвин.
Для начала группа Вельдхорста подтвердила, что их кубиты обладают достаточной когерентностью при температуре 1,1 кельвин, а также изучила надежность однокубитных операций. Физикам удалось достичь времени когерентности в 2 микросекунды и надежности 99,3 процента.
Затем физики включили обменное взаимодействие между кубитами, которое полностью контролировалось с помощью микроволновых полей. Для оценки надежности двухкубитных операций ученые использовали случайные операторы из алгебры Клиффорда. Средняя надежность двухкубитных операций составила 86,1 процент при температуре 1,1 кельвин. Также физики изучили влияние обменного взаимодействия на когерентность системы при разных температурах. В результате ученые пришли к выводу, что реализованное взаимодействие практически не влияет на время когерентности кубитов.
Ранее мы писали как физики впервые провели неразрушающее высокодобротное измерение кубита в квантовой точке. Больше про кубиты и квантовые компьютеры читайте в нашем материале «Квантовая азбука».
Михаил Перельштейн
Это первый легкий металл, в котором его удалось обнаружить
Физики впервые зафиксировали орбитальный эффект Холла в легком металле. Для этого они измерили угол изменения направления света при прохождении через титан, который использовали в качестве образца из-за высокой проводимости. Открытие поможет уточнить механизм поведения металлов в магнитном поле, сообщают ученые в Nature. Если проводник с током находится во внешнем магнитном поле, то кроме классического эффекта Холла (возникновение разности потенциалов при протекании тока, перпендикулярного полю) в нем можно увидеть еще две разновидности этого явления: спиновый и орбитальный эффекты Холла. В первом случае из-за разницы в электронной проводимости электронов образуется поток спина: электроны с антипараллельными спинами отклоняются к противоположным сторонам проводника. А во втором — поток орбитального момента: он возникает благодаря действию на электроны силы Лоренца и направлен перпендикулярно току. Ранее считалось, что именно спиновый эффект преобладает в твердых телах с ненулевым значением спин-орбитального взаимодействия. При этом орбитальный эффект не требует спин-орбитального взаимодействия и потому более распространен: для легких металлов (металлы с небольшой плотностью, например алюминий, олово, титан и другие) орбитальная холловская даже превышает спиновую. Однако орбитальный эффект влияет на магнитные свойства металла только косвенно, причем изменения эти настолько малы, что зафиксировать их не удается. Чтобы преодолеть эти ограничения и разглядеть орбитальный эффект Холла в легком металле, физики из Южной Кореи под руководством Хён У Ли (Hyun-Woo Lee) предложили измерять его косвенно — по углу керровского поворота, который характеризует угол наклона плоскости поляризации света при прохождении через материал. Орбитальные токи Холла меняют показатель преломления материала, и, следовательно, угол керровского поворота. В качестве объекта исследования был выбран легкий металл титан — благодаря большой орбитальной кривизне Берри у него текстурированная структура поверхностей Ферми, что, согласно расчетам, должно приводить к очень высокой орбитальной холловской проводимости. С помощью оптической спектроскопии ученым удалось уловить эти изменения — на основании данных спектроскопии они построили график зависимости угла керровского поворота от плотности тока в титане. Зависимость оказалось линейной: чем больше модуль плотности тока, тем больше изменение угла, что подтвердило наличие орбитального эффекта Холла. Его величину ученые определяли по значению эффективной орбитальной холловской проводимости. Оно составило 130h/e обратных ом, это почти в 30 раз меньше расчетной. Причины несоответствия установить не удалось, но ученые собираются провести дополнительные исследования. Несмотря на расхождение с теорией, полученные результаты не только подтвердили наличие орбитального эффекта, но и показали, что именно из-за него в легких металлах возникает и спиновый эффект Холла. То есть чтобы предсказать поведение металлов в магнитном поле, учитывать этот эффект обязательно. У эффекта Холла существует несколько различных механизмов, и каждый из них тщательно исследуется учеными. Например, физики уже изучили, как вакуумные флуктуации нарушили механизм квантового эффекта Холла и придали ультрахолодным атомам дробное квантовое состояние Холла.