Технология производства обычных компьютерных чипов способна помочь в создании более крупных квантовых вычислительных машин. Такой потенциал заложен в кремниевых спиновых кубитах (квантовых битах), однако точность, которую они показывают поодиночке, может снижаться при одновременном управлении несколькими такими элементами.
Специалисты Центра науки о новых материалах RIKEN вместе с коллегами продемонстрировали способ, позволяющий сохранять значительную часть этой точности при параллельной работе. Они использовали пять кремниевых кубитов, которыми управляли через одну общую микроволновую линию, выявили основную причину ошибок управления и разработали протокол калибровки для их компенсации. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Physics.
Кубиты описывают комбинации привычных двоичных состояний 0 и 1. В кремниевых спиновых кубитах информация закодирована в спине электрона, удерживаемого в кремниевой подложке, а микроволновые сигналы воздействуют на эти спины, выполняя квантовые операции. Для полезного квантового компьютера необходимо множество таких операций одновременно, поэтому надёжное параллельное управление имеет принципиальное значение.
Благодаря оптимизированной конструкции устройства и тщательно откалиброванным микроволновым импульсам точность одноqubitных операций (операций с отдельными кубитами) при индивидуальной проверке каждого из пяти элементов превысила 99,99%, а лучший результат приблизился к 99,999%. Точность показывает, насколько корректно выполняется квантовая операция. С новым протоколом она оставалась выше 99,99%, когда одновременно работали до трёх кубитов.
«Это показывает, что высокоточное управление можно сохранять даже при одновременной работе нескольких кубитов, и представляет важный шаг к масштабированию кремниевых квантовых процессоров», — приводит SciTechDaily слова научного сотрудника RIKEN и одного из первых авторов Леона Каменцинда, курировавшего эксперименты. При одновременной работе всех пяти кубитов точность сохранялась на уровне около 99,9%, что близко к практическим требованиям отказоустойчивых квантовых вычислений, рассчитанных на надёжность расчётов несмотря на ошибки.
Основной причиной потери точности при параллельной работе исследователи назвали сдвиг AC Stark (эффект, вызванный управляющими микроволновыми сигналами), который меняет эффективные уровни энергии кубита и сдвигает фазу его квантового состояния. Чтобы компенсировать эти сдвиги, команда применила калибровку между парами кубитов вместо отдельной настройки для каждой возможной комбинации. «Наша долгосрочная цель — построить отказоустойчивый квантовый компьютер на кремниевых спиновых кубитах, и надёжное параллельное управление является необходимым шагом к этой цели», — отметил руководитель проекта Seigo Tarucha.