Благодаря сочетанию сверхчистого алмаза и спинового контроля на атомном уровне компаниям QuTech и Fujitsu удалось добиться новых успехов в квантовых вычислениях: коэффициент ошибок составляет всего 0,001%. Такое значительное снижение уровня ошибок было достигнуто благодаря использованию алмазов с особой атомной конфигурацией и сложной конструкции решетки. Этот прорыв представляет собой значительный прогресс на пути к уменьшению ошибок вычислений в квантовых компьютерах.
Ожидается, что квантовые компьютеры, использующие принципы квантовой механики, в конечном итоге будут обладать гораздо большей вычислительной мощностью, чем обычные компьютеры. Для этого они опираются на последовательности элементарных операций, называемых квантовыми вентилями. Точнее, это строительные блоки квантовых схем, которые оперируют небольшим количеством квантовых битов (кубитов), так же как логические вентили в классических схемах, которые оперируют набором битов.
Одной из главных задач при разработке квантовых компьютеров является повышение точности квантовых вентилей. Другими словами, чтобы квантовые компьютеры работали надежно, эти вентили должны быть чрезвычайно точными. Для достижения этой цели коэффициент ошибок для каждой операции в идеале должен составлять менее 0,1%.
В краткосрочной перспективе эта точность является решающей для уровня сложности вычислений, которые смогут выполнять компьютеры. Кроме того, только при таких низких значениях коэффициента ошибок методы коррекции ошибок могут функционировать должным образом. Это позволяет выполнять точные вычисления даже на несовершенном оборудовании.
Исследования показали, что кубиты на основе спинов алмаза перспективны для создания высокоточных квантовых вентилей. Технология предполагает использование электронных и ядерных спинов, связанных с атомными дефектами в кристаллической решетке алмаза. Такие дефекты возникают, например, когда атом азота замещает атом углерода. Они могут сохранять квантовое состояние в течение относительно длительных периодов времени, будучи хорошо защищенными от внешних шумов, что делает их идеальными для разработки высокопроизводительных квантовых затворов. Кроме того, алмазные спиновые кубиты могут работать при относительно высоких температурах, в частности, до 10 Кельвинов, что в 100 раз выше температуры, при которой работают сверхпроводящие кубиты.
Кроме того, они естественным образом взаимодействуют с фотонами, что делает их идеальными для разработки квантовых сетей. Однако разработка набора квантовых вентилей с достаточно низкой частотой ошибок с использованием алмазных спинов представляет собой серьезную проблему.
Чтобы преодолеть эти трудности, исследователи Fujitsu и QuTech разработали методику управления квантовыми вентилями на основе алмазных спиновых кубитов с рекордной точностью. Исследование, проведенное в сотрудничестве с Делфтским технологическим университетом (Нидерланды), демонстрирует первые логические вентили, в которых коэффициент ошибок составляет менее 0,1%. Результаты исследования подробно описаны в журнале Physical Review Journals.
Для разработки своего квантового процессора ученые из нового исследования выбрали исключительно чистые алмазы с очень низкой концентрацией изотопов углерода-13, которые являются основным источником квантовой декогеренции. Это позволило устранить шум окружающей среды и создать стабильную двухквантовую систему: одна формируется из спина электрона дефектной области алмаза, а другая — из его ядерного спина. Работа высокоточного квантового вентиля в алмазном спиновом подходе. Второй шаг заключался в разработке развязывающих вентилей для смягчения влияния остаточного шума окружающей среды. Развязывающие вентили — это управляемые импульсные последовательности, разработанные для устранения влияния шума окружающей среды на кубиты и расширения их возможностей по сохранению квантовой информации.
Следующим шагом стала разработка методики, позволяющей достоверно определить их характеристики и оптимизировать параметры. Для этого команда использовала технику под названием «томография набора вентилей», которая позволяет получить полный обзор параметров вентилей. Это позволило получить информацию о возможных источниках ошибок и соответствующим образом оптимизировать параметры, включая силу импульса вентилей. График, обобщающий экспериментальный протокол исследования.
«Было крайне важно, чтобы наша характеристика предоставляла полную и точную информацию об ошибках вентилей, поскольку это позволило нам систематически выявлять несовершенства и оптимизировать все параметры вентилей», — объясняет Дживон Юн, соавтор исследования, в релизе QuTech.
Чтобы протестировать свое устройство, ученые запустили алгоритм с длинной последовательностью вентилей. После 800 операций результат можно было точно предсказать благодаря детальному анализу каждого вентиля. Каждый двухквантовый вентиль работал с ошибкой менее 0,1%, а некоторые даже достигали уровня ошибки 0,001%. Однако, несмотря на то, что высокоточные квантовые вентили необходимы для квантовых вычислений, предстоит еще много работы, прежде чем будет достигнута масштабная вычислительная мощность.
«Одна из главных задач — поддерживать и улучшать качество вентилей по мере перехода к интегрированной оптике и электронике в масштабе чипа и увеличения числа кубитов», — объясняет Тим Таминиау из QuTech и Делфтского университета, возглавивший исследование.
Сотрудничество между QuTech и Fujitsu направлено не только на разработку улучшенных кубитов, но и на электронную инфраструктуру, необходимую для их контроля и точности. «Следующий важный шаг потребует сотрудничества между учеными, инженерами и промышленностью», — заключает Таминиау.
