Найден механизм шумов, ограничивающих точность квантовых вычислений на спиновых кубитах
Учёные из Токийского университета науки совместно с Национальным институтом передовой промышленной науки и технологий Японии уточнили происхождение шумов, ограничивающих стабильность спиновых кубитов в квантовых процессорах. Работа посвящена одной из ключевых проблем масштабируемых квантовых вычислений — нестабильности резонансной частоты кубита, которая напрямую влияет на точность квантовых операций.
Спиновые кубиты, в которых информация кодируется спином электрона, рассматриваются как одна из наиболее перспективных платформ для квантовых вычислений благодаря длительному времени когерентности и совместимости с современными полупроводниковыми технологиями. В таких системах электроны удерживаются в квантовых точках — наноразмерных структурах, работающих как искусственные атомы. Несмотря на значительный прогресс в реализации одно- и двухкубитных логических операций, остаётся проблема вариативности и шумов, которые ухудшают точность квантовых вентилей.
Особое внимание в исследовании уделено флуктуациям резонансной частоты кубита, также известной как ларморовская частота. Эта величина должна оставаться стабильной, однако на практике она подвержена микроскопическим возмущениям. Ранее было показано, что микроволновое управление кубитами может приводить к локальному нагреву и, как следствие, к сдвигу резонансной частоты кубита. При этом наблюдается нетривиальная температурная зависимость: резкий рост при низких температурах и постепенное снижение при более высоких.
Интересным экспериментальным фактом стало то, что повышение температуры примерно до 200 милликельвинов иногда улучшает точность квантовых операций по сравнению с более низкой рабочей температурой около 20 милликельвинов. Однако микроскопическая природа этого эффекта долгое время оставалась неясной, что затрудняло разработку устойчивых архитектур квантовых процессоров.
В новой работе исследовательская группа под руководством профессора Такаюки Кавахары из Токийского университета науки применила теоретическое моделирование и масштабные статистические симуляции, чтобы объяснить происхождение шумов. Учёные сосредоточились на модели зарядового шума, возникающего из-за так называемых двухуровневых флуктуаторов (TLF), расположенных вблизи границы раздела полупроводник–оксид.
В рамках исследования был построен модельный спиновый кубит на основе кремниевой/кремний-германиевой (Si/SiGe) двойной гетероструктуры. Электронные спины управлялись микроволновыми импульсами в присутствии градиента магнитного поля. Затем исследователи провели статистическое моделирование большого числа TLF-конфигураций, варьируя параметры распределения дефектов, энергии активации, времён переключения и их температурной зависимости. Всего было рассмотрено 108 наборов параметров, каждый из которых включал 5000 случайных реализаций.
Результаты показали, что наилучшее соответствие экспериментальным данным достигается при экспоненциальном распределении энергий активации TLF и сравнительно коротких минимальных временах переключения, а также при выраженной температурной зависимости скоростей переходов. При этих условиях модель воспроизводит наблюдаемую нелинейную зависимость сдвига резонансной частоты от температуры и объясняет, почему при определённых режимах повышение температуры может улучшать точность квантовых операций.
Дополнительно анализ показал, что наиболее вероятным источником соответствующих TLF являются электронные переходы между зоной проводимости и состояниями захвата на границе раздела, а не медленные структурные перестройки атомной решётки. Это позволяет по-новому взглянуть на природу зарядового шума в кремниевых спиновых кубитах и указывает на ключевую роль интерфейсных дефектов.
Авторы , что контроль состояния ловушек на границе раздела и оптимизация технологических процессов изготовления полупроводниковых структур могут существенно повысить стабильность резонансной частоты и, как следствие, улучшить точность квантовых операций в будущих масштабируемых процессорах.