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超高真空中捕获的离子与最近的表面和块状材料隔离数十至数百微米 。 因此 , 离子上的电场和磁场噪声比 , 通常在固体内部或表面上看到的要低几个数量级;结合离子的量子态与外部场的相对较弱的耦合 , 这意味着被捕获的离子量子比特不会迅速热化到环境中 。 塞曼和超精细量子比特的典型T1值是年 。 因此 , 光泵浦用于初始化离子的内部状态 , 激光冷却用于使离子运动接近其量子力学基态 。 这种非常缓慢的热化还意味着陷阱电极和真空室的温度不需要满足开尔文BTω01即可实现量子行为 。

然而 , 离子阱的低温操作 , 在4开尔文至10开尔文范围内 , 可用于通过低温泵送背景气体来增加离子阱中的离子寿命 , 并有助于降低加热和使离子运动脱聚的电场噪声 。 被俘获的离子量子比特可以通过磁场波动而去相 。 塞曼量子比特对磁场波动直接敏感 , T2~几十毫秒 , 但通过适当的磁场屏蔽 , T2值已达到三百毫秒 。 对于超精细量子比特 , 可以选择B0以使特定的超精细跃迁对一阶磁场噪声不敏感 。 这种量子位被称为“时钟”量子位 , 之所以如此命名 , 是因为场不敏感的跃迁通常具有很长的相移时间 , 因此非常适合实现微波频率的原子钟 。

裸时钟量子比特T2值通常为一秒 , 但据报道值高达五十秒;执行一种量子比特“斩波”来抵消1/f磁场噪声可以产生超过一小时的T2 。 在这些时间尺度上测量量子位相干性通常受到与量子位进行比较的微波参考振荡器的频率稳定性和漂移的限制 。 固体中的自旋自由度为可扩展的量子计算系统提供了另一个潜在平台 。 例如 , 硅中的核自旋可以表现出长达数小时的T1时间 。

与捕获离子的真空相比 , 自旋量子位嵌入固体中并被其他原子包围 , 其中许多原子可能以不受控制的方式与自旋量子位相互作用 。 幸运的是 , 这些相互作用在含有少量核自旋的材料中相对较弱 , 例如硅、硅-锗和金刚石等碳材料 。 高度孤立的量子比特与环境的相互作用很弱 , 通常也与任何控制手段弱耦合 。 与控制场的弱耦合导致较慢的量子门时间 , 可能会抵消长相干时间所提供的任何优势 。

出于这个原因 , 人们设计了许多不同的自旋量子比特“风味” , 在可控性、设备复杂性以及对电荷或电压噪声的敏感性之间进行权衡 。 在这里 , 将把讨论限制在基于半导体中受限电子或空穴的自旋量子比特上 。 现代纳米加工使得限制和检测被称为量子点的“零维”纳米结构中的单电子自旋成为可能 。 限制电子的电势是通过半导体表面上的栅电极静电产生的 , 从而可以通过改变栅极电压来调节点上的电子数量及其与相邻点和储存器的耦合 。

【?了解更多关于俘获离子量子计算的详细信息】限制、操纵和检测量子点上的单个自旋态的能力很大程度上是电荷库仑阻塞的结果 , 这是一种静电现象 , 当单个电子电荷为电容器充电的能量时 , 电容器的电能大于热能 。 对于自电容在阿托法拉范围内的亚微米器件 , 库仑阻塞的能量尺度要求温度低于几开尔文 。 这需要使用稀释制冷机来运行自旋量子比特系统 , 尽管正在开展工作以在高温下运行 。