Дослідження університету UNSW прокладають шлях до великих квантових процесорів на основі кремнію для реального виробництва і застосування.
Австралійські дослідники довели, що майже безпомилкові квантові обчислення можливі, проклавши шлях до створення квантових пристроїв на основі кремнію, сумісних із сучасними технологіями виробництва напівпровідників.
«Сьогоднішня публікація в Nature показує, що наші операції були безпомилковими на 99 відсотків», - говорить професор Андреа Морелло з Університету Нового Південного Уельсу, який керував роботою.
"Коли помилки настільки рідкісні, стає можливим виявляти їх і виправляти при їх виникненні. Це показує, що можна створювати квантові комп'ютери, які мають достатній масштаб і достатню потужність для виконання значущих обчислень ".
Це дослідження - важлива віха на шляху, який приведе нас до мети ", - говорить Андреа Морелло.
Квантові обчислення в кремнії подолали поріг у 99%
Стаття Андреа Морелло і його колег - одна з трьох, опублікованих сьогодні в журналі Nature, які незалежно підтверджують, що надійні квантові обчислення в кремнії тепер стали реальністю. Цей прорив зображено на обкладинці журналу.
- Морелло і його колеги домоглися точності роботи з одним кубітом до 99,95% і точності з двома кубітами до 99,37% з трикубітною системою, що складається з електрону і двох атомів фосфору, введених в кремній за допомогою іонної імплантації.
- Команда з Делфта в Нідерландах під керівництвом Лівена Вандерсіпена досягла 99,87-відсоткової точності 1-кубіту і 99,65-відсотка 2-кубіта, використовуючи електронні спини в квантових точках, сформованих в кремнії і в кремній-германієвому сплаві (Si/SiGe).
- Команда RIKEN в Японії під керівництвом Сейго Таруча також досягла точності 99,84% для 1 кубіту і 99,51% для 2 кубітів у двоелектронній системі з використанням квантових точок Si/SiGe.
Команди Університету Нового Південного Уельсу і Делфта сертифікували продуктивність своїх квантових процесорів, використовуючи складний метод, званий томографією з гейт-сетом, розроблений в Sandia National Laboratories в США і відкритим для дослідницької спільноти.
Раніше вони продемонстрували, що можуть зберігати квантову інформацію в кремнії протягом 35 секунд через ізоляцію ядерних спинів від навколишнього середовища.
"У квантовому світі 35 секунд - це вічність, - каже Андреа Морелло. «Для порівняння, в знаменитих надпровідних квантових комп'ютерах Google і IBM час життя становить близько ста мікросекунд - майже в мільйон разів менше».
Але компроміс полягав у тому, що ізоляція кубітів унеможливлювала їх взаємодію один з одним, необхідну для виконання реальних обчислень.
Ядерні спини вчаться точно взаємодіяти
У новій статті описано, як вчені подолали цю проблему, використовуючи електрон, що оточує два ядра атомів фосфору.
«Якщо у вас є два ядра, які пов'язані з одним і тим же електроном, ви можете змусити їх виконувати квантову операцію», - говорить доктор Матеуш Мондзік, один з провідних авторів експериментів.
"Поки ви не керуєте електроном, ці ядра безпечно зберігають свою квантову інформацію. Але тепер у вас є можливість змусити їх спілкуватися один з одним через електрон, щоб реалізувати універсальні квантові операції, які можна адаптувати до будь-якого обчислювального завдання ".
"Це дійсно технологія розблокування. Ядерні спини є основою квантових процесорів. Якщо ви заплутаєте їх з електроном, то електрон може бути переміщений в інше місце і заплутаний з іншими ядрами кубітів далі, відкриваючи шлях до створення великих масивів кубітів, здатних до надійної і надійної роботи ".
Девід Джеймісон, керівник дослідження в Мельбурнському університеті, додає: "Атоми фосфору були введені в кремнієвий чіп за допомогою іонної імплантації, того ж методу, який використовується у всіх існуючих кремнієвих комп'ютерних чіпах. Це гарантує, що наш квантовий прорив сумісний з широкою напівпровідниковою промисловістю ".
Всі існуючі комп'ютери використовують ту чи іншу форму виправлення помилок і надлишковості даних, але закони квантової фізики накладають серйозні обмеження на те, як відбувається корекція в квантовому комп'ютері.
Дослідники пояснюють: "Зазвичай для застосування протоколів квантової корекції помилок потрібна частота помилок нижче 1 відсотка. Тепер, досягнувши цієї мети, ми можемо приступити до розробки кремнієвих квантових процесорів, які масштабуються і надійно працюють для корисних обчислень ".
Дослідження було опубліковано в журналі Nature.