Благодаря объединению сверхчистого алмаза и спинового контроля на атомном уровне компаниям QuTech и Fujitsu удалось добиться новых высот в квантовых вычислениях: коэффициент ошибок составил всего 0,001%. Такое значительное снижение уровня ошибок обусловлено применением алмазов с особой атомной структурой и сложной решеткой. Этот прорыв является существенным шагом на пути сокращения ошибок в квантовых компьютерах.
Предполагается, что квантовые компьютеры, основанные на законах квантовой механики, в конечном итоге превзойдут обычные по вычислительной мощности. Для этого используется последовательность элементарных операций — квантовых вентилей. Это строительные блоки квантовых схем, работающих с небольшим числом квантовых битов (кубитов), аналогично тому, как логические вентили в классических схемах обрабатывают набор битов.
При создании квантовых компьютеров большое значение уделяется повышению точности квантовых вентилей. Для надёжной работы квантовых компьютеров вентили должны быть максимально точными. В идеальном варианте коэффициент ошибок каждой операции должен быть менее 0,1%.
Точность имеет решающее значение для уровня сложности вычислений, которые смогут выполнять компьютеры в ближайшем будущем. Кроме того, только при таких низких значениях коэффициента ошибок методы коррекции ошибок могут работать должным образом. Это позволяет выполнять точные вычисления даже на несовершенном оборудовании.
Исследования демонстрируют перспективность кубитов на базе спинов алмаза для изготовления высокоточных квантовых вентилей. Технология основана на использовании электронных и ядерных спинов, связанных с атомными дефектами кристаллической решетки алмаза. Такие дефекты могут возникать при замене атомов углерода атомами азота.
Они способны сохранять квантовое состояние в течение длительных промежутков времени, защищенные от внешних помех, что делает их подходящими для разработки высокопроизводительных квантовых затворов.
Алмазные спиновые кубиты способны функционировать при температурах до 10 Кельвинов, что в сто раз выше температуры работы сверхпроводящих кубитов. Естественное взаимодействие с фотонами делает их подходящими для построения квантовых сетей. Однако создание набора квантовых вентилей с низким уровнем ошибок на базе алмазных спинов представляет собой значительную проблему.
Для решения этих проблем исследователи Fujitsu и QuTech создали метод управления квантовыми вентилями на базе алмазных спиновых кубитов с выдающейся точностью. Исследование, выполненное совместно с Технологическим университетом Делфта (Нидерланды), демонстрирует первые логические вентили с коэффициентом ошибок менее 0,1%. Полнотекстовое описание результатов опубликовано в журнале… .
Средний коэффициент ошибок менее 0,1%
В ходе нового исследования ученые для создания квантового процессора использовали исключительно чистые алмазы с минимальным количеством изотопов углерода-13. Такой выбор позволил исключить шум окружающей среды и сформировать стабильную двухквантовую систему: одна из них создается из спина электрона дефектной области алмаза, а другая — из его ядерного спина.
Второй этап включал создание развязывающих вентилей для уменьшения воздействия остаточного шума извне. Развязывающие вентили представляют собой управляемые импульсные последовательности, предназначенные для подавления влияния внешнего шума на кубиты и увеличения их способности хранить квантовую информацию.
Разработали методику для определения характеристик и оптимизации параметров. Команда использовала технику «томография набора вентилей», предоставляющую полный обзор их параметров. Это позволило выявить возможные источники ошибок и оптимизировать параметры, в том числе силу импульса вентилей.
«Характеристика должна была быть полной и точной, чтобы обозначить ошибки вентилей. Это позволяло систематически находить недостатки и улучшать все параметры вентилей. — поясняет Дживон Юн, соавтор исследования, в сообщении QuTech.
Для проверки работы устройства 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%.
Несмотря на важность высокоточных квантовых вентилей для квантовых вычислений, до масштабной вычислительной мощности еще предстоит пройти долгий путь. Важной задачей является поддержание и совершенствование качества вентилей при переходе к интеграции оптики и электроники на уровне чипов и росте числа кубитов. «— говорит Тим Таминиау из QuTech и Делфтского университета, руководивший этим исследованием.
Совместная работа QuTech и Fujitsu включает в себя создание более совершенных кубитов, а также электронной структуры для их управления и повышения точности. Для следующего шага потребуется совместная работа учёных, инженеров и промышленников. », — заключает Таминиау.