Tomografía de precisión de un procesador cuántico de tres qubits en silicio

Área de la Ciencia:

• La computación cuántica y el procesamiento de información.
• Sistemas cuánticos de estado sólido.
• La física del espín nuclear.

Sus antecedentes:

• Los espines nucleares ofrecen una coherencia cuántica excepcional y una huella a escala atómica para el procesamiento de información cuántica.
• La realización del pleno potencial de los qubits nucleares para la computación cuántica se ve obstaculizada por la falta de métodos de enlace escalables y operaciones multi-qubit de alta fidelidad.

Objetivo del estudio:

• Para demostrar las operaciones lógicas cuánticas universales en espines nucleares dentro de un dispositivo nanoelectrónico de silicio.
• Para lograr un entrelazamiento de alta fidelidad entre los qubits nucleares y un espín de electrones compartido.
• Establecer una vía viable para el procesamiento de información cuántica escalable utilizando espines donantes en silicio.

Principales métodos:

• Utilizó núcleos de donantes de 31P implantados con iones en un dispositivo nanoelectrónico de silicio.
• Implementó una puerta Z controlada de dos qubits nucleares a través de una fase geométrica impartida a un espín de electrones compartido.
• Tomografía de conjunto de puerta empleada (GST) para la caracterización precisa de las operaciones cuánticas.

Principales resultados:

• Logró fidelidades de hasta 94,2% para estados Bell entrelazados entre qubits nucleares.
• Se obtienen altas fidelidades de puerta promedio: hasta el 99,95% para operaciones de un qubit y el 99,37% para operaciones de dos qubits.
• Demostró un estado de Greenberger-Horne-Zeilinger de tres qubits con una fidelidad del 92,5% (~1,0%), mostrando entrelazamiento entre dos núcleos y un electrón compartido.

Conclusiones:

• Los espines nucleares en el silicio se están acercando al rendimiento requerido para los procesadores cuánticos tolerantes a fallas.
• Las operaciones de alta fidelidad demostradas y el entrelazamiento establecen una ruta viable para el procesamiento de información cuántica escalable.
• El acoplamiento de los qubits de espín de electrones a otros electrones o su transporte físico mejora aún más la escalabilidad de este enfoque.