Физики создали и оптимизировали набор высокоточных квантовых вентилей для кубитов на основе точечного дефекта в алмазе. Точность однокубитных операций составила 99,999(1) процента, а двухкубитных — 99,93(5) процента. Вентиль SWAP, составленный из 17 более простых, показал степень совпадения около 98,7 процента. Результаты исследования опубликованы в Physical Review Applied.
Две проблемы, которые сегодня замедляют развитие квантовых вычислителей: малое время когерентности кубитов (спустя очень короткое время информация в них начинает искажаться) и низкая точность квантовых вентилей — составных блоков квантовых алгоритмов. Например, если точность вентилей составляет 99 процентов, то алгоритм, состоящий из десяти таких вентилей, на выходе даст степень совпадения (fidelity) примерно 90 процентов. Для сравнения: чтобы реализовать обратное квантовое преобразование Фурье (составная часть алгоритма Шора) для семи кубитов, нужно выполнить 31 квантовую операцию.
Уменьшить количество ошибок можно с помощью увеличения числа кубитов и алгоритмов коррекции (подробнее о них в нашем материале «Квантовый корректор») или повышением точности вентилей на физическом уровне. Например, в одной из последних работ физики продемонстрировали двухкубитные вентили для NV-центров со степенью совпадения 99,92 процента, однако предложенный учеными метод дал лишь верхнюю, а не наилучшую оценку точности. При этом исследователи не рассмотрели однокубитные вентили, реализацию которых осложняет электронно-ядерное взаимодействие в азотной вакансии.
Физики из Великобритании и Нидерландов под руководством Тима Таминьяу (Tim Taminiau) из Делфтского технического университета разработали набор высокоточных квантовых вентилей для кубитов на основе NV-центра в алмазе и оптимизировали его, получив степень совпадения для избранных однокубитных операций около 99,999(1) процента, а для двухкубитных — 99,93(5) процента.
Для этого ученые рассмотрели двухкубитную систему, образованную электронным спином NV-центра и ядерным спином азота, при температуре четыре кельвина, учтя окружающие ядерные спины углерода как источники дополнительного шума. Экспериментаторы инициализировали и считали спин электрона с помощью резонансного оптического возбуждения, а приготовление и считывание спина азота реализовали через электронный спин, отобразив его состояния после инициализации на спин азота. Затем исследователи определили характеристики вентилей с помощью томографии набора гейтов (gate set tomography, GST). Суть этого метода состояла в том, что физики выполнили набор квантовых схем, состоящих из подготовки кубитов, их измерения, а также управляемого внедрения отдельных ошибок в вентили.
Ученые оптимизировали созданный набор гейтов — ключевым шагом в оптимизации стала межимпульсная задержка, которая устранила взаимодействие электрон-спинового кубита с другими окружающими спинами. Усредненное значение точности двухкубитных вентилей по экспериментам составило 99,923 ± 0,026 процента. После этого физики проверили работу системы на вентиле SWAP, который сконструировали из 17 более простых вентилей — точность выполнения составила 98,7 процента.
Авторы работы отметили, что вентиль SWAP можно использовать для создания квантовой памяти на основе азотного спина в алмазе. Эксперимент показал, что такой кубит сохранил записанную в него квантовую информацию в течение ста секунд.