Computadora cuántica spin qubit

Implementación propuesta de semiconductores de computadoras cuánticas

La computadora cuántica de espín qubit es una computadora cuántica basada en controlar el espín de los portadores de carga ( electrones y huecos de electrones ) en dispositivos semiconductores . ^[1] La primera computadora cuántica de spin qubit fue propuesta por primera vez por Daniel Loss y David P. DiVincenzo en 1997, ^{[1] [2]} también conocida como la computadora cuántica Loss-DiVicenzo . ^{[ cita requerida ]} La propuesta era utilizar el spin-½ grado intrínseco de libertad de los electrones individuales confinados enpuntos cuánticos como qubits . No confundir con otras propuestas que utilizan el espín nuclear como qubit, como la computadora cuántica Kane o la computadora cuántica de resonancia magnética nuclear .

Spin qubits para se ha implementado agotando localmente gases de electrones bidimensionales en semiconductores como arseniuro de galio , ^{[3] [4]} silicio ^[5] y germanio . ^[6] Spin qubits también se puede implementar con grafeno . ^[7]

Pérdida: propuesta de DiVicenzo

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Un doble punto cuántico . Cada espín electrónico S _L o S _R define un sistema cuántico de dos niveles, o un qubit de espín en la propuesta Loss-DiVincenzo. Una puerta estrecha entre los dos puntos puede modular el acoplamiento, permitiendo operaciones de intercambio .

La propuesta de la computadora cuántica Loss-DiVicenzo intentó cumplir con los criterios de DiVincenzo para una computadora cuántica escalable, ^{[8] a} saber:

• identificación de qubits bien definidos;
• preparación estatal confiable;
• baja decoherencia;
• operaciones precisas de puerta cuántica y
• fuertes mediciones cuánticas.

Un candidato para una computadora cuántica de este tipo es un sistema de puntos cuánticos laterales . El trabajo anterior sobre aplicaciones de puntos cuánticos para la computación cuántica fue realizado por Barenco et al. ^[9]

Implementación de la puerta de dos qubits

La computadora cuántica Loss-DiVincenzo opera, básicamente, usando voltaje de compuerta entre puntos para implementar operaciones de intercambio y campos magnéticos locales (o cualquier otra manipulación de espín local) para implementar la compuerta NOT controlada (compuerta CNOT).

La operación de intercambio se logra aplicando un voltaje de puerta entre puntos pulsado, por lo que la constante de intercambio en el hamiltoniano de Heisenberg se vuelve dependiente del tiempo:

${\displaystyle H_{\rm {s}}(t)=J(t)\mathbf {S} _{\rm {L}}\cdot \mathbf {S} _{\rm {R}}.}$

Esta descripción solo es válida si:

• el espaciado de nivel en el punto cuántico es mucho mayor que ;${\displaystyle \Delta E}$${\displaystyle \;kT}$
• la escala de tiempo del pulso es mayor que , por lo que no hay tiempo para que ocurran las transiciones a niveles orbitales más altos y${\displaystyle \tau _{\rm {s}}}$${\displaystyle \hbar /\Delta E}$
• el tiempo de decoherencia es mayor que .${\displaystyle \Gamma ^{-1}}$${\displaystyle \tau _{\rm {s}}}$

Desde el Hamiltoniano pulsado sigue el operador de evolución temporal.

${\displaystyle U_{\rm {s}}(t)=T\exp \left\{-i\int _{0}^{t}dt'H_{\rm {s}}(t')\right\}.}$

Podemos elegir una duración específica del impulso de tal manera que la integral en el tiempo más da y se convierte en el operador de intercambio .${\displaystyle J(t)}$${\displaystyle J_{0}\tau _{\rm {s}}=\pi ({\text{mod}}2\pi ),}$${\displaystyle U_{\rm {s}}}$${\displaystyle U_{\rm {s}}(J_{0}\tau _{\rm {s}}=\pi )\equiv U_{\rm {sw}}}$

La puerta CNOT se puede lograr combinando operaciones (raíz cuadrada de intercambio) con operaciones de giro individuales:${\displaystyle {\sqrt {\text{swap}}}}$

${\displaystyle U_{\rm {CNOT}}=e^{i{\frac {\pi }{2}}S_{\rm {L}}^{z}}e^{-i{\frac {\pi }{2}}S_{\rm {R}}^{z}}U_{\rm {sw}}^{1/2}e^{i\pi S_{\rm {L}}^{z}}U_{\rm {sw}}^{1/2}.}$

Este operador da una fase condicional para el estado en la base de .${\displaystyle \mathbf {S} _{\rm {L}}+\mathbf {S} _{\rm {R}}}$

Ver también

• Computadora cuántica Kane
• Autómata celular de punto cuántico

Referencias

1. Vandersypen, Lieven MK; Eriksson, Mark A. (1 de agosto de 2019). "Computación cuántica con espines de semiconductores" . Física hoy . 72 (8): 38. doi : 10.1063 / PT.3.4270 . ISSN  0031-9228 .
2. Pérdida, Daniel; DiVincenzo, David P. (1 de enero de 1998). "Computación cuántica con puntos cuánticos" . Physical Review A . Sociedad Estadounidense de Física (APS). 57 (1): 120–126. arXiv : cond-mat / 9701055 . doi : 10.1103 / physreva.57.120 . ISSN 1050-2947 . 
3. Petta, JR (2005). "Manipulación coherente de espines de electrones acoplados en puntos cuánticos de semiconductores". Ciencia . 309 (5744): 2180–2184. doi : 10.1126 / science.1116955 . ISSN 0036-8075 . 
4. Bluhm, Hendrik; Foletti, Sandra; Neder, Izhar; Rudner, Mark; Mahalu, Diana; Umansky, Vladimir; Yacoby, Amir (2010). "Tiempo de desfase de qubits de espín de electrones de GaAs acoplados a un baño nuclear superior a 200 μs" . Física de la naturaleza . 7 (2): 109-113. doi : 10.1038 / nphys1856 . ISSN 1745-2473 . 
5. Wang, Siying; Querner, Claudia; Dadosh, Tali; Crouch, Catherine H .; Novikov, Dmitry S .; Drndic, Marija (2011). "Mejora de la fluorescencia colectiva en grupos de nanopartículas" . Comunicaciones de la naturaleza . 2 (1). doi : 10.1038 / ncomms1357 . ISSN 2041-1723 . 
6. Watzinger, Hannes; Kukučka, Josip; Vukušić, Lada; Gao, Fei; Wang, Ting; Schäffler, Friedrich; Zhang, Jian-Jun; Katsaros, Georgios (25 de septiembre de 2018). "Un qubit de giro de agujero de germanio" . Comunicaciones de la naturaleza . 9 (1): 3902. doi : 10.1038 / s41467-018-06418-4 . ISSN 2041-1723 . 
7. Trauzettel, Björn; Bulaev, Denis V .; Pérdida, Daniel; Burkard, Guido (2007). "Spin qubits en puntos cuánticos de grafeno". Física de la naturaleza . 3 (3): 192-196. arXiv : cond-mat / 0611252 . doi : 10.1038 / nphys544 . ISSN 1745-2473 . 
8. DP DiVincenzo, en Transporte de electrones mesoscópicos, vol. 345 del Instituto de Estudios Avanzados de la OTAN, Serie E: Ciencias Aplicadas, editado por L. Sohn, L. Kouwenhoven y G. Schoen (Kluwer, Dordrecht, 1997); en arXiv.org en diciembre de 1996
9. Barenco, Adriano; Deutsch, David; Ekert, Artur; Josza, Richard (1995). "Dinámica cuántica condicional y puertas lógicas". Phys. Rev. Lett . 74 (20): 4083. arXiv : quant-ph / 9503017 . doi : 10.1103 / PhysRevLett.74.4083 .

Enlaces externos

• La plataforma en línea QuantumInspire de la Universidad Tecnológica de Delft , permite construir y ejecutar algoritmos cuánticos en "Spin-2", un procesador de 2 spin qubits de silicio.