Kvantové počítače na dosah: Vědci objevili, jak ztišit šum v klíčových spinových qubitech

Vědci učinili významný krok k realizaci praktických kvantových počítačů. Identifikovali totiž původ šumu, který narušuje výkon spinových qubitů – jedné z nejslibnějších platforem pro kvantové výpočty.

Vědci učinili významný krok k realizaci praktických kvantových počítačů. Identifikovali totiž původ šumu, který narušuje výkon spinových qubitů – jedné z nejslibnějších platforem pro kvantové výpočty. Spinové qubity, které kódují kvantovou informaci do spinového stavu elektronu, se vyznačují dlouhou dobou koherence a jsou kompatibilní s moderními polovodičovými výrobními technologiemi. Jejich hlavní implementace spočívá v elektronech uzavřených v kvantových tečkách, což jsou nanometrové polovodičové struktury fungující jako umělé atomy.

Klíčovou výzvou pro dosažení spolehlivých kvantových počítačů jsou fluktuace rezonanční frekvence qubitů, způsobené mikroskopickými zdroji šumu. Tato frekvence, známá jako Larmorova frekvence (f_q), musí být konstantní pro efektivní provoz qubitu. Předchozí výzkumy ukázaly, že mikrovlnné signály používané k ovládání qubitů mohou generovat teplo, které posouvá f_q. Tento posun vykazuje nekonzistentní závislost na teplotě – prudký nárůst při nízkých teplotách a postupný pokles při vyšších, což narušuje rezonanci a snižuje věrnost brány. Překvapivě se ukázalo, že vyšší teplota (200 milikelvinů namísto standardních 20 milikelvinů) může tento negativní vliv zmírnit, ačkoliv mikroskopický původ tohoto jevu zůstával nejasný.

Tým vědců z Tokijské univerzity vědy a Národního institutu pokročilých průmyslových věd a technologií v Japonsku, pod vedením profesora Takayuki Kawahary, nyní objasnil mechanismy šumu ovlivňující výkon křemíkových spinových qubitů. Kombinovali teoretické modelování s rozsáhlými statistickými simulacemi šumu náboje, který pochází z takzvaných dvoustavových fluktuátorů (TLF). Tímto způsobem demonstrovali, jak mohou vyšší teploty zlepšit věrnost brány.

Jejich analýza ukázala, že experimentální pozorování se nejlépe shodovala s modelem, kde aktivační energie TLF následovaly exponenciální rozdělení, minimální doby přepínání byly krátké a rychlosti přepínání vykazovaly silnou teplotní závislost. Na základě těchto zjištění vědci dospěli k závěru, že nejpravděpodobnějším původem relevantních TLF a souvisejících posunů frekvence qubitů jsou elektronické přechody mezi vodivostním pásmem a pastmi (zahrnující procesy generace/rekombinace nebo pasti na hraně pásma), nikoli pomalejší atomární strukturní pohyby. Toto zjištění poskytuje nový pohled na mikroskopický původ šumu náboje v křemíkových spinových qubitech.

Výsledky studie, publikované v časopise IEEE Access, zdůrazňují důležitost kontroly stavů pastí na rozhraní polovodič/oxid a přijetí výrobních postupů, které stabilizují frekvence qubitů. To je klíčové pro zlepšení věrnosti brány u budoucích velkých křemíkových kvantových procesorů a může významně přispět k vývoji praktických kvantových počítačů s výrazně sníženým šumem.