Историческая веха: точность кремниевых квантовых вычислений превысила 99%

Только что была достигнута важная веха в квантовых вычислениях. Три отдельные команды по всему миру преодолели 99-процентный порог точности для квантовых вычислений на основе кремния, благодаря чему безошибочные квантовые операции оказались в манящем близости от невероятной перспективы.

В Австралии команда под руководством физика Андреа Морелло из Университета Нового Южного Уэльса достигла 99,95-процентной точности при выполнении одноквантовых операций и 99,37 процента при выполнении двухквантовых операций в трехквантовой системе.

В Нидерландах команда под руководством физика Сейго Таруча из Делфтского технологического университета достигла 99,87-процентной точности для одноквабитных операций и 99,65% для двухкбитных операций в квантовых точках.

Наконец, в Японии команда под руководством физика Акито Ноири из RIKEN достигла 99,84-процентной точности для операций с одним квитом и 99,51 процента для операций с двумя квитами, также в квантовых точках.

Все три команды опубликовали свои результаты сегодня в журнале Nature.

"Сегодняшняя публикация в Nature показывает, что наши операции были на 99 процентов безошибочными", - говорит Морелло.

"Когда ошибки настолько редки, становится возможным их обнаружить и исправить, когда они возникают. Это показывает, что можно построить квантовые компьютеры, которые будут иметь достаточный масштаб и достаточную мощность, чтобы обрабатывать значимые вычисления".

Квантовые вычисления опираются на квантовую механику как основу для операций. Информация кодируется в кубитах, или квантовых битах - квантовом эквиваленте двоичных битов, основных единиц информации.

Однако там, где биты обрабатывают информацию в одном из двух состояний - 1 или 0, - кубиты могут находиться в состоянии 1, 0 или обоих одновременно.

Последнее состояние - 1 и 0 одновременно - известно как суперпозиция. Поддержание суперпозиции кубитов позволяет квантовым компьютерам решать сложные математические задачи, выполняя вычисления, основанные на вероятности состояния объекта до его измерения. Однако эта работа очень подвержена ошибкам, поэтому повышение точности квантовых операций стало предметом интенсивного изучения.

В 2014 году Морелло и его коллеги смогли продемонстрировать невероятную продолжительность жизни квантовой информации в кремниевой подложке - 35 секунд. Их кубиты были основаны на спиновых состояниях ядер, которые, будучи изолированными от окружающей среды, позволили установить новый временной эталон. Но эта самая изоляция оказалась и проблемой: она затрудняла связь кубитов друг с другом, что необходимо для выполнения квантовых вычислений.

Чтобы решить эту проблему, Морелло и его команда ввели электрон в систему из двух ядер фосфора с помощью ионной имплантации в кремний - одного из фундаментальных процессов при производстве микрочипов. Так они создали свою трехкбитную систему, и она сработала.

"Если у вас есть два ядра, которые соединены с одним и тем же электроном, вы можете заставить их выполнять квантовые операции", - сказал физик Матеуш Мондзик из UNSW.

"Пока вы не управляете электроном, эти ядра надежно хранят свою квантовую информацию. Но теперь у вас есть возможность заставить их общаться друг с другом через электрон, чтобы реализовать универсальные квантовые операции, которые могут быть адаптированы к любой вычислительной задаче".

Две другие команды использовали другой подход. Они создали квантовые точки из кремния и кремний-германиевого сплава и установили в них двухэлектронный квит-гейт, то есть цепь из нескольких кубитов. Затем они изменили напряжение, подаваемое на их соответствующие системы, используя протокол, называемый томографией набора затворов, чтобы охарактеризовать свои системы.

Обе команды обнаружили, что в их системах также была достигнута точность более 99 процентов.

"Представленный результат впервые делает спиновые кубиты конкурентоспособными по сравнению со сверхпроводящими цепями и ионными ловушками с точки зрения универсальной производительности квантового управления", - говорит Таруча.

"Это исследование показывает, что кремниевые квантовые компьютеры являются перспективными кандидатами, наряду со сверхпроводимостью и ионными ловушками, для исследований и разработок в направлении реализации крупномасштабных квантовых компьютеров".

Любая из этих работ сама по себе была бы значительным достижением. Тот факт, что все три команды независимо друг от друга достигли одного и того же рубежа, говорит о том, что квантовые вычисления теперь будут стремительно развиваться.

"Для применения протоколов квантовой коррекции ошибок обычно требуется уровень ошибок ниже 1 процента", - говорит Морелло.

"Достигнув этой цели, мы можем начать проектирование кремниевых квантовых процессоров, которые масштабируются и надежно работают для полезных вычислений".

Все три работы были опубликованы в журнале Nature.