Μονάδα Spin-photon για κλιμακωτή αρχιτεκτονική δικτύου σε κβαντικές κουκίδες

 Μονάδες Spin-photon για μια αρχιτεκτονική δικτύου. ( α ) Στο προβλεπόμενο δίκτυο, πολλές μονάδες σπιν-φωτονίων συνδέονται με ομοαξονικές γραμμές. Κάθε κόμβος αποτελείται από ένα περιστροφικό τετράπλευρο qubit σε διπλές κβαντικές κουκίδες συνδεδεμένες με έναν υπεραγωγικό συντονιστή. Οι παλμοί οδήγησης εφαρμόζονται στα ηλεκτρόδια πύλης των κβαντικών κουκίδων για τη δημιουργία των διαμορφωμένων μεμονωμένων φωτονίων στον αντηχείο. ( β ) Το διάγραμμα ενεργειακών επιπέδων του στροβίλου μονού τριπλού spin. ( γ ) Το ενεργειακό φάσμα του υβριδικού συστήματος σπιν-φωτονίων. ( d ) Εικονογράφηση της βασικής διαδικασίας: μια αποτελεσματική σύζευξη g e f f μεταξύ των καταστάσεων και||𝑔0 ⟩||𝑒1 ⟩. κ είναι η φθορά φωτονίων του συντονιστή και γ είναι η αποκάλυψη του spin qubit.  ,                                             μιας αρχιτεκτονικής είναι μία από τις σημαντικότερες προκλήσεις στον τομέα του κβαντικού υπολογισμού και της κβαντικής επικοινωνίας. Ο σχεδιασμός της αρχιτεκτονικής είναι να βρεθεί μια ρεαλιστική διαδρομή από την εφικτή τεχνολογία αιχμής μέχρι την κλιμάκωση της επεξεργασίας κβαντικών πληροφοριών. Έχει σημειωθεί μεγάλη πρόοδος σε μια μονολιθική αρχιτεκτονική, ενώ για πολλές φυσικές πλατφόρμες μπορεί να είναι πιο εφικτή μια αρχιτεκτονική δικτύου 1 , 2 , 3 , 4 , 5 , 6 . Η προσδιοριστική και αποτελεσματική μεταφορά κβαντικής κατάστασης μεταξύ χωρικά διαχωρισμένων qubits είναι ένα ουσιαστικό μέρος της αρχιτεκτονικής δικτύου μεγάλης κλίμακας 7 , 8. Αυτό το σχήμα απαιτεί μια γενική μονάδα που είναι ικανή να στέλνει, να λαμβάνει, να αποθηκεύει και να επεξεργάζεται κβαντικές πληροφορίες που κωδικοποιούνται σε μονό φωτόνια σε μορφή χρονικού σχήματος. Τα τελευταία χρόνια, αυτό το είδος μονάδας έχει προταθεί και καταδειχθεί σε διάφορα φυσικά συστήματα όπως παγιδευμένα ιόντα 9 , 10 , μεμονωμένα άτομα 11 και υπεραγωγικά κυκλώματα 12 , 13 , 14 . Ωστόσο, αυτά τα πειράματα παραμένουν στο στάδιο της απόδειξης αρχής, υπάρχει μια συνεχής προσπάθεια να εξευρεθούν εναλλακτικές πλατφόρμες που δεν απαιτούν λεπτομερή ρύθμιση των παραμέτρων και μπορούν εύκολα να κλιμακωθούν σε μεγάλο αριθμό qubits.

Η πρόσφατη σημαντική πρόοδος των κβαντικών ηλεκτρονίων spin σε κβαντικές κουκίδες ημιαγωγών παρέχει έναν ελκυστικό υποψήφιο για την υλοποίηση των δομικών στοιχείων της αρχιτεκτονικής δικτύου 15 , 16 , 17 , 18 . Σε αυτό το πλαίσιο, οι spin qubits στις κβαντικές κουκίδες εμφανίζουν διάφορες επιθυμητές ιδιότητες. Αυτό το σύστημα εκμεταλλεύεται τους μεγάλους χρόνους συσχέτισης που σχετίζονται με τις καταστάσεις περιστροφής και έχουν καθιερωθεί χειρισμοί υψηλής πιστότητας 19 , 20 , 21 , 22 , 23. Επιπλέον, αυτό το σύστημα είναι συμβατό με τη βιομηχανική τεχνολογία ημιαγωγών. Είναι επίκαιρο να αναζητήσουμε μια προσέγγιση δικτύου για qubits spin σε κβαντικές κουκίδες. Ωστόσο, αυτό το σχέδιο είναι πιο δύσκολο να πραγματοποιηθεί, λόγω της δυσκολίας στην επίτευξη αξιόπιστης διασύνδεσης σπιν-φωτονίων. Ένας τρόπος αντιμετώπισης αυτών των ζητημάτων είναι να χρησιμοποιήσετε ένα spin qubit με state chargelike. ref. 24 πρότεινε έναν ισχυρό μηχανισμό σύζευξης μεταξύ ενός σπιδίου απλής περιστροφής-τριπλού qubit και ενός συντονιστή, ο οποίος έκανε ένα πρώτο και σημαντικό βήμα προς την αρχιτεκτονική του δικτύου.

Εδώ περιγράφουμε ένα σχέδιο για την αρχιτεκτονική δικτύου που βασίζεται σε ένα δομοστοιχείο σπιν-φωτονίων το οποίο περιλαμβάνει ένα μόνο φωτόνια μικροκυμάτων σε συντονιστή συζευγμένο με τριπλό qubits απλής περιστροφής σε κβαντικές κουκίδες. Με βάση την παραπομπή. 24 , ένας παλμός μικροκύματος οδήγησης εφαρμόζεται στο δομοστοιχείο και μεσολαβεί στις συντονισμένες αλληλεπιδράσεις μεταξύ των περιστροφών ηλεκτρονίων και των φωτονίων. Τα μεμονωμένα φωτόνια με χρονικό σχήμα μπορούν να δημιουργηθούν μεταβάλλοντας το πλάτος και τη φάση του παλμού οδήγησης με την πάροδο του χρόνου. Έτσι, τα qubits στροφών εμπλέκονται σε φωτόνια, τα οποία αποτελούν φορείς επικοινωνίας που καθιστούν δυνατή την μεταφορά της κατάστασης μεταξύ των χωρικά διαχωρισμένων κόμβων. Αυτά τα στοιχεία τοποθετούνται σε ένα δίκτυο (βλ. Σχήμα  1α), με επαρκή συνδεσιμότητα μεταξύ των ενοτήτων για να επιτρέπεται η μετάδοση εμπλοκής και οι αυθαίρετες καταστάσεις qubit μεταδίδονται από τον έναν κόμβο στον άλλο. Σε επίπεδο κυκλώματος, αναλύουμε την απόδοση παραγωγής και απορρόφησης στους κόμβους περίπου 98%, επιτυγχάνοντας την πιστότητα διαδικασίας κρατικής μεταφοράς 88% και την εμπλοκή μεταξύ δύο κόμβων με παρόμοια υψηλή πιστότητα 91%. Κυρίως δείχνουμε πόσο καλά μπορεί να λειτουργήσει κάθε στοιχείο της μονάδας για να ανταποκριθεί στο όριο ανοχής σφάλματος για τα πρωτόκολλα 1 , 2 που βασίζονται στο καθαρισμό . Αυτά τα αποτελέσματα δείχνουν ότι αυτή η μονάδα σπιν-φωτονίων είναι συνεπής με την παρούσα πειραματική τεχνολογία και μπορεί να χρησιμοποιηθεί άμεσα για κλιμακωτό κβαντικό υπολογισμό με αρχιτεκτονική δικτύου.