Физики почти удвоили скорость считывания состояния кубитов в квантовых компьютерах
Исследователи из Национального университета Сингапура (NUS) наблюдали волну зарядовой плотности (CDW), регулируемую легированием, в однослойном полупроводнике — селениде хрома (III) (Cr₂Se₃). Это расширяет явление CDW с металлов на легированные полупроводники.
Волны зарядовой плотности (CDW) — это электронные структуры, которые наблюдаются в двумерных (2D) переходных металлах халькогенидах (TMCs). Изучение CDW даёт представление о новых порядках в квантовых материалах, где электронные корреляции играют значительную роль. Однако большинство TMCs, демонстрирующих CDW, являются металлами, и их проводимость регулируется преимущественно путём интеркаляции или атомной замены. Эти методы могут вносить примеси или дефекты, усложняющие понимание механизмов.
Команда исследователей под руководством профессора Чэнь Вэя из Департамента физики и Департамента химии NUS синтезировала однослойный полупроводниковый Cr₂Se₃ и продемонстрировала явление CDW с помощью сканирующей туннельной микроскопии (СТМ).
В отличие от ранее описанных двумерных металлических TMCs, CDW в полупроводниковом Cr₂Se₃ можно чисто и обратимо регулировать посредством переноса поверхностного заряда, не вводя посторонних примесей.
Исследование проводилось в сотрудничестве с профессором Чжэн Фейпенгом из Университета Джинан, Китай. Результаты исследования опубликованы в Science Advances.
При очень низких температурах электроны в этом материале естественным образом организуются в крошечные «участки» с более высокой и низкой плотностью, образуя узор, называемый упорядочением заряда, подобный ряби или шахматной доске зарядов. Исследователи увидели эти узоры с помощью сканирующей туннельной микроскопии и показали, что кристаллическая решётка слегка искажается, когда появляется узор, что является признаком упорядоченного состояния заряда.
Они обнаружили, что узорами можно управлять с помощью «легирования». Удаление электронов (легирование дырками) выключает узор, а добавление электронов (легирование электронами) делает узор более сильным и регулярным, образуя аккуратный повторяющийся узор 3√3 на 3√3.
Один из авторов, доктор Дуань Сишэн, сказал: «Благодаря своей полупроводниковой природе, CDW в двумерном Cr₂Se₃ можно регулировать как с помощью электронного, так и дырочного легирования. Это предполагает потенциальное применение в устройствах для внешней манипуляции электронными коррелированными фазами».
Профессор Чэнь добавил: «Фактически, двумерный Cr₂Se₃ также является антиферромагнитным. Регулируемая легированием CDW в двумерном антиферромагнетике предлагает платформу для понимания взаимодействия между магнетизмом, зарядовым порядком и электронной корреляцией».
Физики из RIKEN нашли способ ускорить считывание кубитов в сверхпроводящих квантовых компьютерах, что должно помочь сделать их более быстрыми и надёжными.
После десятилетий существования в качестве теоретических предположений работающие квантовые компьютеры только начинают появляться. Для экспериментаторов, таких как Питер Спринг из Центра квантовых вычислений RIKEN (RQC), это благоприятное время для работы в этой области.
«Это очень интересно. Такое ощущение, что это очень быстро развивающаяся область, которая имеет большой импульс», — говорит Спринг. «И действительно кажется, что эксперименты догоняют теорию».
Когда они появятся, зрелые квантовые компьютеры обещают произвести революцию в вычислениях, выполняя расчёты, которые далеко выходят за рамки возможностей современных суперкомпьютеров. И кажется, что эта перспектива не так уж и далека.
В настоящее время полдюжины технологий борются за то, чтобы стать предпочтительной платформой для завтрашних квантовых компьютеров. Одним из ведущих претендентов является технология, основанная на сверхпроводящих электрических цепях. Одним из её преимуществ является способность выполнять вычисления быстрее, чем другие технологии.
Из-за очень чувствительного характера квантовых состояний жизненно важно регулярно исправлять любые ошибки, которые могли возникнуть. Это требует многократного измерения выборки кубитов, строительных блоков квантовых компьютеров. Но эта операция медленнее, чем операции квантовых вентилей, что создаёт своего рода узкое место.
«Если считывание кубитов намного медленнее, чем другие операции, которые вы выполняете, то в основном это становится узким местом для тактовой частоты», — объясняет Спринг. «Поэтому мы хотели увидеть, насколько быстро мы можем выполнять измерения кубитов в сверхпроводящей цепи».
Спринг, Ясунобу Накамура из RQC и их коллеги нашли способ одновременно измерять четыре кубита в сверхпроводящих квантовых компьютерах чуть более чем за 50 наносекунд, что примерно в два раза быстрее предыдущего рекорда. Результаты опубликованы в журнале PRX Quantum.
Специальный фильтр обеспечивает отсутствие помех между измерительной линией, используемой для отправки измерительных сигналов, и самим кубитом. Спринг и его коллеги реализовали фильтр, «связав» считывающий резонатор с фильтрующим резонатором таким образом, что энергия от кубитов не могла выйти через измерительную линию.
Они смогли измерить кубиты с очень высокой точностью, или «верностью». «Мы были удивлены, насколько высокой оказалась верность считывания», — говорит Спринг. «На лучшем кубите мы достигли точности более 99,9%. Мы не ожидали этого за такое короткое время измерения».
Команда стремится добиться ещё более быстрых измерений кубитов, оптимизируя форму микроволнового импульса, используемого для измерения.