Tilbake til søkeresultatene

IKTPLUSS-IKT og digital innovasjon

Controlling Spins in Quantum systems in an Online Setting

Alternativ tittel: Kontroll av spinn i kvantesystemer i en online-sammenheng

Tildelt: kr 2,6 mill.

En av de mest spennende kvanteteknologiene som har blitt foreslått er kvanteberegninger, hvor informasjonen kodes i kvantebiter (qubiter), istedenfor klassiske biter. På grunn av at qubitene både kan være sammenfiltret med hverandre og være i en superposisjon av 0 og 1, kan kvantedatamaskiner utføre visse viktige oppgaver, for eksempel søking i databaser og primtallfaktorisering, eksponentielt raskere enn en vanlig datamaskin. Halvledende spinn-qubiter er blant de mest lovende kandidatsystemene for å lagre kvanteinformasjon. Idéen er å fange enkeltelektroner i små potensialfeller skapt inne i en halvleder, og deretter bruke deres spinntilstand (som bare kan være "opp" eller "ned") til å kode kvanteinformasjonen. Attraktive egenskaper ved spinn-qubiter er deres lille størrelse, høye driftshastigheter og potensielle skalerbarhet på grunn av deres likhet med standard mikrobrikketransistorer. Feltet beveger seg raskt fremover, og nyere utvikling har presset ytelsesparametere for én qubit under feiltoleranseterskelen. I dette prosjektet vil vi utvikle nye algoritmer for spinn-qubit-manipulasjon og stabilisering, og vi vil kombinere disse med toppmoderne kontroll- og avlesningsmaskinvare. Dette vil gjøre oss i stand til å være de første til å oppnå "online" kontroll av spinn-qubits, dvs. evnen til å måle tilstanden til en eller flere qubits etterfulgt av qubit-manipulasjoner som avhenger av resultatet av målingene, alt innenfor koherenstiden til systemet. Dette vil tillate oss (i) å dramatisk forbedre qubit-koherenstiden, (ii) å oppnå universell multi-qubit-kontroll i systemet vårt, og (iii) å være de første til å utføre ubetinget kvanteteleportering av en spinn-qubit, som avhenger av online kontroll av qubitene. Videre er slik online kontroll en avgjørende ingrediens for de fleste kvantefeilkorreksjonsprotokoller, og en vellykket realisering vil dermed være et betydelig gjennombrudd for feltet, potensielt med svært stor innvirkning.

Semiconducting spin qubits have small sizes and incredible operation speeds, but using them for large-scale fault-tolerant applications has so far been prevented by material noise limiting qubit coherence and decreasing gate fidelity. However, their strong sensitivity to electric fields can be profited from if a sufficiently large number of gate voltages can be adjusted accurately (low-frequency control) and tuned quickly (high-frequency control) to cancel noise. By integrating low-noise control electronics with on-hardware real-time signal generation as well as fast qubit readout, and applying the resulting control pulses to multi-channel state-of-the-art spin-qubit processors, we will for the first time perform conditional quantum logic in which the control feedback happens faster than the coherence times associated with the qubits. We will demonstrate this “online control” by performing the world’s first unconditional quantum teleportation of a spin qubit. Since online qubit control is a crucial ingredient of quantum error correction in fault-tolerant architectures, our breakthrough will be an important stepping stone toward successful scaling up of spin-qubit quantum information processors. To achieve such online quantum control with high fidelities, we take advantage of the unique specializations of the ConSpiQuOS partners. Through the development of tailored quantum algorithms (NTNU, ranging from neural networks for multi-qubit classification to qubit stabilization based on real-time Hamiltonian estimation), their implementation on acquisition and control hardware (QM, based on advanced FPGA-based high-frequency digitizers and generators), and the fabrication of a quantum-classical interface (QDV, multi-channel high frequency cryogenic sample holders controlled with room temperature electronics), will allow us to employ the readily available spin-qubit devices (UCPH) as small scale quantum processors.

Aktivitet:

IKTPLUSS-IKT og digital innovasjon