一部のアイデアは、複雑さ、コスト、または不必要な実装のために、明るく生まれ、すぐに消えてしまいます。 頭にレーザーを取り付けたキラーサメ-とてもクールで、非常に複雑で、信じられないほどばかげているように聞こえます。 ただし、実装のアイデアの中には、「黄金の山」ではない場合、少なくとも金のポットを約束するものがあります。 これは量子コンピューターにも当てはまります。量子コンピューターは、非常に強力で、超高速で、エネルギー効率が非常に高いと約束されています。 魅力的ですね。 多くの科学者が同じように考えています。 量子コンピューティングの実装には、多くの問題を解決する必要があります。 そして今日は、科学者がいわゆるキュービットハイブリッドを作成することで速度指標を改善することを決定した研究に精通します。 それが何であり、何で構成され、どのように機能するかは、研究グループの報告書から学びます。 行こう
研究の基礎
すべての人に明確にするために、科学者は主に彼らの研究に先行するいくつかの側面を強調しています。 第一に、これらは半導体量子ドットの単一スピンキュービットであり、最大99.99％の量子シングルキュービットゲートの信じられないほどの精度を提供できます。 第二に、これらはコヒーレンス時間が長い2キュービットゲートです。
量子ゲート*は、特定の法則に従ってキュービットの入力状態を出力状態に変換する論理要素です。問題は、初期化のプロセスとキュービットの実際の読み取りが、制御プロセスよりも桁違いに遅く進行することです。 そして、これは測定ベースのプロトコルの実装に非常に悪影響を及ぼします。 これらにはエラー修正が含まれます。
しかし、これはすでに憂鬱に聞こえますが、私たちの研究者にとってはそうではありません。 彼らは、2スピン部分空間に埋め込まれた一重項-三重項キュービットは、高精度と高速の両方を持つことができることに注意しています。 科学者が制御位相の量子ゲートを5.5ナノ秒の速度で実現できたハイブリッドシステムの基礎となっているのは、これらの要素です。これは、ディフェージング時間の数倍です。
デフェージング*は、量子システムから古典的な特徴を抽出するためのメカニズムです。 量子システムのコヒーレンスを減衰させるプロセスを指します。ハイブリッドシステム（CPHASE）の主な詳細は、2つのタイプのキュービットです。それぞれに長所と短所があります。Loss-DiVinsenzoキュービット（以下LD）と一重項-三重項キュービット（以下ST）です。
LD量子ビットでは、2量子ビットの量子ゲートは、隣接するスピン間の交換プロセスに集中するため、かなり高速です。 しかし、ST量子ビットは弱い双極子結合によって制限されているため、はるかに低速です。
初期化と読み取りのプロセスでは、状況は根本的に変化しています。 LD量子ビットは、スピン選択的トンネリングのために遅くなります。 また、STはパウリの原理によりはるかに高速です。
したがって、特定のプロセスで完全に現れる2種類のキュービットがあります。 1つのハイブリッドシステムでそれらの利点を組み合わせると、より高速で正確な量子計算を取得できます。 そのためには、科学者が研究で行った、それらの間の接続インターフェースを作成する必要があります。 彼らの仕事がどれほど成功したかを見てみましょう。
調査結果
イメージNo. 1
図1aでは、 LDおよびSTキュービットが三重量子ドット（TQD）でどのように実装されているかがわかります。 LD量子ビットは左側のポイントに形成され、STは他の2つのポイントにあります。
LD量子ビットのコヒーレントおよび共振制御を実現するために、科学者はTQDの隣にマイクロマグネットを追加しました。 これは、電気双極子スピン共鳴（EDSR）-スピン軌道相互作用などの量子力学的効果によりシステム内の磁気モーメントを制御する方法によって達成されました。
また、交換相互作用と比較して、中心点と正しい点の間のゼーマンエネルギーの差を大きくすることができました。
ゼーマンエネルギー*は、磁場中のスピンの外部ポテンシャルエネルギーです。したがって、これらの点でのST量子ビットの固有状態は、一重項|S⟩および三重項|T⟩ではなく、|↑↓⟩および|↓↑⟩になります。 次に、3.166 T（テスラ）の外部磁場を印加しました。これにより、LD量子ビットの状態をゼーマンエネルギーで分離し、分極した三重項状態|↑↓⟩および|↓↑⟩ST量子ビットを計算状態から分離することができました。
溶解の冷蔵庫のスキーム（このデバイスの動作原理をさらに詳しく知りたい人の情報源 ）。
実験自体は、温度120 mK（ミリリケルビン）の特別な希釈冷蔵庫で行われました。 キュービットによる操作は、充電状態（1,1,1）、初期化（1,0,1）、読み取り（1,0,2）で行われました。
（N、N、N）* -各ポイント（左、中央、右）内の電子の数。初期化、制御、および読み取りプロセスを較正するために、各キュービットのコヒーレンス時間の変化の測定が実行されました。 量子ビット間交換相互作用を減らすために、科学者は電荷状態（1,1,1）と（2,0,1）のエネルギーレベルを劇的に変更しました。
LDキュービットを観察すると、周波数10 MHz（ 1d ）のラビ振動が、マイクロ波パルス時間（ 1e ）の関数として明らかになりました。 ST量子ビットでは、|↑↓⟩と|↓↑⟩（ 1f ）の間で歳差運動が観察されました。
図1cは、左と中央の量子ドット間の交換相互作用を介して2つのキュービットを相互にリンクするプロセスを示しています。
2量子ビットシステムは、次の条件に従って動作しました。
E Z≫ ∆E ST Z 、∆E QQ Z≫ J QQ≫ J ST 、ここで：
E Z-ゼーマンエネルギー。
∆E ST Zは、右点と中心点の間のゼーマンエネルギーの差です。
∆E QQ Zは、左点と中心点の間のゼーマンエネルギーの差です。
J QQ-左のポイントと中央のポイント間のやり取りを交換します。
J ST-右点と中心点の間のやり取りを交換します。
この場合、システムのハミルトニアンは次のようになります。
ここで、^σLD zおよび^σST zは、それぞれLDおよびSTキュービットのパウリz演算子です。
イメージNo. 2
ハイブリッドシステムの実際の例として、2キュービットゲートをテストする前に、科学者はパワーレベルを操作することで、キュービット間相互作用の強度とその変動性を較正しました。
パルス状態でのオスとキュービットの相互作用は、（2,0,1）と（1,1,1）の電荷状態（ 2b ）の間でエネルギーを変えることで制御されました。 また、ST量子ビットの計算状態の損失を防ぐために、線形電圧変化（最大24ナノ秒）を導入することにより、量子ビット間交換の相互作用を断熱的にオンおよびオフにしました。
ST量子ビットのコヒーレント歳差運動は、LD量子ビットを初期化、監視、測定することなく、DからHまでのパルス状態を繰り返すことで測定しました（画像番号2）。
図2bは、実験で使用された量子回路の詳細を示しており、LD量子ビットの入力状態を通じてST量子ビットの歳差周波数を制御する能力を実証しています。 |↑↓⟩または|↓↑⟩のいずれかを初期状態として使用して、ST歳差（ 2e 、 2f ）が取得されました。
イメージNo. 3
図3aは初期化時間の位相ϕσLDへの依存性を示し、グラフ3bでは制御された位相ϕC = ϕ |↓〉 -ϕ |↑〉がすでに示されています。
観察により、テストされたCPHASEバルブに必要な時間は5.5 nsになることが示されています。 ただし、最尤法で得られた時間は211 nsでした。 科学者は、ここで得られたより短いデータ収集時間がノイズスペクトルの低周波成分を「遮断」するという事実に起因すると考えています。
イメージNo.4
科学者は、LDキュービットの任意の入力状態を導入しても、CPHASEバルブが完全に正しく動作できることをさらに実証しました。 図4aは、このために使用される量子回路を示しており、実装時間は条件ϕ C =πを満たすように固定されています。 この場合、任意のσLDzのキュービットのコヒーレント初期状態LDは、電気双極子スピン共鳴によって準備されます。
研究のニュアンス（方法、計算、式、および観察）の詳細については、科学者のレポートとそれに追加される資料を参照することを強くお勧めします。
エピローグ
完璧に制限はありません。 この声明は、あごひげを生やしたジョークのように、すでに100回聞いたことがありますが、引き続き重要です。 量子計算は明るい新しい世界を約束しますが、その実装にはかなりの労力、研究、問題の解決が必要です。
ただし、この研究により、実用レベルでの量子コンピューティングの実装が現実に一歩近づきました。 1つのハイブリッドシステムで異なるタイプのキュービットの利点を使用すると、量子プロセスの高精度だけでなく、実行速度も十分に高速化できます。 そして、このような組み合わせは、計算自体がどうであれ、常に重要であり、重要です。
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