Qubits de hueco-espín acoplados a fonones en germanio de alta pureza: diseño y modelado de una arquitectura escalable

Resumen Presentamos un diseño y modelado de una arquitectura de procesador cuántico escalable que utiliza qubits de hueco-espín definidos en puntos cuánticos de germanio (Ge) controlados por compuertas, donde se predice que el acoplamiento coherente entre espín y fonón facilitará la manipulación de qubits y las interacciones a larga distancia. La arquitectura aprovecha las interacciones de espín-órbita eléctricamente ajustables intrínsecas a los estados de hueco en Ge, integradas con cavidades de cristal fonónico de alta calidad (PnCC) para permitir un control completamente eléctrico de los qubits y un acoplamiento mediado por fonones. Empleando un marco de simulación simplificado basado en modelado multibanda k • p y métodos de elementos finitos, cuantificamos métricas de rendimiento clave, incluyendo factores g ajustables eléctricamente que varían de 1.3 a 2.0, fuerzas de acoplamiento espín-fonón de hasta 6.3 MHz, factores de calidad de cavidad fonónica que superan 10 4 , y tiempos de relajación de espín mediado por fonones (T1) que alcanzan milisegundos. La arquitectura propuesta logra simultáneamente una coherencia de espín extendida y operaciones rápidas de compuerta a través de la modulación estratégica del campo eléctrico y entornos de banda prohibida fonónica diseñados. Además, los cristales de Ge de alta pureza enriquecidos isotópicamente mejoran significativamente la coherencia del dispositivo al minimizar el desorden y las interacciones hiperfinas. Este enfoque integrado, que combina ingeniería avanzada de materiales, acoplamiento preciso entre espín y órbita, y diseño de cavidad fonónica, establece un camino prometedor compatible con CMOS hacia la computación cuántica escalable y de alta fidelidad.