Квантовые вычисления в кремнии достигли 99% точности

532

Исследования университета UNSW прокладывают путь к большим квантовым процессорам на основе кремния для реального производства и применения.

Австралийские исследователи доказали, что почти безошибочные квантовые вычисления возможны, проложив путь к созданию квантовых устройств на основе кремния, совместимых с современными технологиями производства полупроводников.

«Сегодняшняя публикация в Nature показывает, что наши операции были безошибочными на 99 процентов», — говорит профессор Андреа Морелло из Университета Нового Южного Уэльса, руководивший работой.

«Когда ошибки настолько редки, становится возможным обнаруживать их и исправлять при их возникновении. Это показывает, что можно создавать квантовые компьютеры, которые имеют достаточный масштаб и достаточную мощность для выполнения значимых вычислений».

Это исследование — важная веха на пути, который приведет нас к цели», — говорит Андреа Морелло.

Визуализация трехкубитной системы UNSW
Визуализация трехкубитной системы UNSW, которая может выполнять операции квантовой логики с точностью более 99%. Точность квантовой операции выше 99% была получена в трехкубитном кремниевом квантовом процессоре. Первые два кубита (Q1, Q2) — это ядерные спины индивидуально имплантированных атомов фосфора (красные сферы). Третий кубит (Q3) — это спин электрона, который вращается вокруг обоих ядер (блестящий эллипс). © Tony Melov / UNSW

Квантовые вычисления в кремнии преодолели порог в 99%

Статья Андреа Морелло и его коллег — одна из трех, опубликованных сегодня в журнале Nature, которые независимо подтверждают, что надежные квантовые вычисления в кремнии теперь стали реальностью. Этот прорыв изображен на обложке журнала.

  • Морелло и его коллеги добились точности работы с одним кубитом до 99,95% и точности с двумя кубитами до 99,37% с трехкубитной системой, состоящей из электрона и двух атомов фосфора, введенных в посредством ионной имплантации.
  • Команда из Делфта в Нидерландах под руководством Ливена Вандерсипена достигла 99,87-процентной точности 1-кубита и 99,65-процента 2-кубита, используя электронные спины в квантовых точках, сформированных в кремнии и в -германиевом сплаве (Si/SiGe).
  • Команда RIKEN в Японии под руководством Сейго Таруча также достигла точности 99,84% для 1 кубита и 99,51% для 2 кубитов в двухэлектронной системе с использованием квантовых точек Si/SiGe.

Команды Университета Нового Южного Уэльса и Делфта сертифицировали производительность своих квантовых процессоров, используя сложный метод, называемый томографией с гейт-сетом, разработанный в Sandia National Laboratories в США и открытым для исследовательского сообщества.

Ранее они продемонстрировали, что могут сохранять квантовую информацию в кремнии в течение 35 секунд из-за изоляции ядерных спинов от окружающей среды.

«В квантовом мире 35 секунд — это вечность, — говорит Андреа Морелло. «Для сравнения, в знаменитых сверхпроводящих квантовых компьютерах Google и IBM время жизни составляет около ста микросекунд — почти в миллион раз меньше».

Но компромисс заключался в том, что изоляция кубитов делала невозможным их взаимодействие друг с другом, необходимое для выполнения реальных вычислений.

Ядерные спины учатся точно взаимодействовать

В новой статье описывается, как ученые преодолели эту проблему, используя электрон, окружающий два ядра атомов фосфора.

«Если у вас есть два ядра, которые связаны с одним и тем же электроном, вы можете заставить их выполнять квантовую операцию», — говорит доктор Матеуш Мондзик, один из ведущих авторов экспериментов.

«Пока вы не управляете электроном, эти ядра безопасно хранят свою квантовую информацию. Но теперь у вас есть возможность заставить их общаться друг с другом через электрон, чтобы реализовать универсальные квантовые операции, которые можно адаптировать к любой вычислительной задаче».

«Это действительно технология разблокировки. Ядерные спины являются основой квантовых процессоров. Если вы запутаете их с электроном, то электрон может быть перемещен в другое место и запутан с другими ядрами кубитов дальше, открывая путь к созданию больших массивов кубитов, способных к надежной и надежной работе».

Дэвид Джеймисон, руководитель исследования в Мельбурнском университете, добавляет: «Атомы фосфора были введены в кремниевый чип с помощью ионной имплантации, того же метода, который используется во всех существующих кремниевых компьютерных чипах. Это гарантирует, что наш квантовый прорыв совместим с широкой полупроводниковой промышленностью».

Все существующие используют ту или иную форму исправления ошибок и избыточности данных, но законы квантовой физики накладывают серьезные ограничения на то, как происходит коррекция в квантовом компьютере.

Исследователи объясняют: «Обычно для применения протоколов квантовой коррекции ошибок требуется частота ошибок ниже 1 процента. Теперь, достигнув этой цели, мы можем приступить к разработке кремниевых квантовых процессоров, которые масштабируются и надежно работают для полезных вычислений».

Исследование было опубликовано в журнале Nature.
Смотрите также:
Подписаться
Уведомление о
guest
0 Комментарий
Встроенные отзывы
Посмотреть все комментарии