Квантовый компьютер Кейна: Архитектура на основе донорных атомов фосфора в кремнии.
Kane quantum computer
Квантовый компьютер Кейна: архитектура на основе доноров фосфора в кремнии. Масштабируемость, кубиты на спинах электронов и ядер – перспективная технология!
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Квантовый компьютер Кейна — это проект масштабируемого квантового компьютера, предложенный Брюсом Кейном в 1998 году, когда он работал в Университете Нового Южного Уэльса. Его часто рассматривают как гибрид между квантовыми точками и квантовыми компьютерами на ядерном магнитном резонансе (ЯМР). Компьютер Кейна основан на массиве отдельных атомов-доноров фосфора, внедрённых в чистую кремниевую решётку. В вычислениях участвуют как ядерные спины доноров, так и спины электронов доноров. В отличие от многих схем квантовых вычислений, квантовый компьютер Кейна в принципе может быть масштабирован до любого числа кубитов. Это возможно, поскольку кубиты можно адресовать индивидуально с помощью электрических сигналов.
The Kane quantum computer is a proposal for a scalable quantum computer proposed by Bruce Kane in 1998, who was then at the University of New South Wales. Often thought of as a hybrid between quantum dot and nuclear magnetic resonance (NMR) quantum computers, the Kane computer is based on an array of individual phosphorus donor atoms embedded in a pure silicon lattice. Both the nuclear spins of the donors and the spins of the donor electrons participate in the computation. Unlike many quantum computation schemes, the Kane quantum computer is in principle scalable to an arbitrary number of qubits. This is possible because qubits may be individually addressed by electrical means.
Описание
В первоначальном предложении предлагается размещать доноры фосфора в виде массива с интервалом 20 нм, примерно в 20 нм под поверхностью. На поверхности кремния выращивается изолирующий слой оксида. Металлические A-затворы осаждаются на оксиде над каждым донором, а J-затворы – между соседними донорами. Доноры фосфора являются изотопно чистым 31P, обладающим ядерным спином 1/2. Кремниевая подложка – изотопно чистый 28Si, имеющий ядерный спин 0. Использование ядерного спина P-доноров для кодирования кубитов имеет два основных преимущества. Во-первых, состояние характеризуется чрезвычайно длительным временем декогеренции, возможно, порядка 10¹⁸ секунд при температурах милликельвина. Во-вторых, кубитами можно управлять, воздействуя на них осциллирующим магнитным полем, как это предлагается в типичных схемах ЯМР. Изменяя напряжение на A-затворе, можно изменять частоту Лармора отдельных доноров. Это позволяет адресовать их индивидуально, переводя конкретные доноры в резонанс с приложенным осциллирующим магнитным полем. Ядерные спины сами по себе не будут существенно взаимодействовать с другими ядерными спинами на расстоянии 20 нм. Ядерный спин полезен для выполнения операций с одним кубитом, но для создания квантового компьютера необходимы также двухкубитные операции. В данной конструкции эту роль выполняет спин электрона. Под управлением A-затвора спин передается от ядра к электрону донора. Затем на J-затвор подается потенциал, притягивающий электроны соседних доноров в общую область, что значительно усиливает взаимодействие между соседними спинами. Контролируя напряжение на J-затворе, можно выполнять двухкубитные операции. Предложение Кейна по считыванию заключалось в применении электрического поля для стимулирования спин-зависимого туннелирования электрона, преобразующего два нейтральных донора в состояние D⁺–D⁻, то есть состояние, при котором два электрона связаны с одним и тем же донором. Избыточный заряд затем обнаруживается с помощью одноэлектронного транзистора. Этот метод имеет две основные трудности. Во-первых, состояние D⁻ сильно связано с окружающей средой и, следовательно, имеет короткое время декогеренции. Во-вторых, и, возможно, более важно, неясно, обладает ли состояние D⁻ достаточным временем жизни для осуществления считывания – электрон туннелирует в зону проводимости.
The original proposal calls for phosphorus donors to be placed in an array with a spacing of 20 nm, approximately 20 nm below the surface. An insulating oxide layer is grown on top of the silicon. Metal A gates are deposited on the oxide above each donor, and J gates between adjacent donors. The phosphorus donors are isotopically pure 31P, which have a nuclear spin of 1/2. The silicon substrate is isotopically pure 28Si which has nuclear spin 0. Using the nuclear spin of the P donors as a method to encode qubits has two major advantages. Firstly, the state has an extremely long decoherence time, perhaps on the order of 1018 seconds at millikelvin temperatures. Secondly, the qubits may be manipulated by applying an oscillating magnetic field, as in typical NMR proposals. By altering the voltage on the A gates, it should be possible to alter the Larmor frequency of individual donors. This allows them to be addressed individually, by bringing specific donors into resonance with the applied oscillating magnetic field. Nuclear spins alone will not interact significantly with other nuclear spins 20 nm away. Nuclear spin is useful to perform single qubit operations, but to make a quantum computer, two qubit operations are also required. This is the role of electron spin in this design. Under A gate control, the spin is transferred from the nucleus to the donor electron. Then, a potential is applied to the J gate, drawing adjacent donor electrons into a common region, greatly enhancing the interaction between the neighbouring spins. By controlling the J gate voltage, two qubit operations are possible. Kane's proposal for readout was to apply an electric field to encourage spin dependent tunneling of an electron to transform two neutral donors to a D+–D– state, that is, one where two electrons associate with the same donor. The charge excess is then detected using a single electron transistor. This method has two major difficulties. Firstly, the D– state has strong coupling with the environment and hence a short decoherence time. Secondly and perhaps more importantly, it's not clear that the D– state has a sufficiently long lifetime to allow for readout—the electron tunnels into the conduction band.
Разработка
С момента предложения Кейна, под руководством Роберта Кларка, а ныне Мишель Симмонс, работа над созданием квантового компьютера Кейна стала главным направлением в области квантовых вычислений в Австралии. Теоретики предложили ряд вариантов улучшения считывания информации. Экспериментально в 2003 году была достигнута атомно-точная осадка атомов фосфора с использованием метода сканирующей туннельной микроскопии (STM). Также удалось зарегистрировать перемещение отдельных электронов между небольшими, плотными скоплениями доноров фосфора. Группа сохраняет оптимизм в отношении возможности создания практичного квантового компьютера больших масштабов. Другие исследовательские группы полагают, что эту идею необходимо модифицировать. В 2020 году Андреа Морелло и другие продемонстрировали, что ядром сурьмы (обладающим восемью спиновыми состояниями), внедрённым в кремний, можно управлять посредством электрического поля, а не магнитного.
Since Kane's proposal, under the guidance of Robert Clark and now Michelle Simmons, pursuing realisation of the Kane quantum computer has become the primary quantum computing effort in Australia. Theorists have put forward a number of proposals for improved readout. Experimentally, atomic precision deposition of phosphorus atoms has been achieved using a scanning tunneling microscope (STM) technique in 2003. Detection of the movement of single electrons between small, dense clusters of phosphorus donors has also been achieved. The group remains optimistic that a practical large scale quantum computer can be built. Other groups believe that the idea needs to be modified. In 2020, Andrea Morello and others demonstrated that an antimony nucleus (with eight spin states) embedded in silicon could be controlled using an electric field, rather than a magnetic field.