Исследователи QuTech из Делфтского технического университета, в сотрудничестве с Fujitsu и Element Six, анонсировали создание универсального комплекта квантовых вентилей с вероятностью ошибки менее 0,1%, что является значительным шагом для масштабируемых квантовых вычислений. Достигнутые результаты демонстрируют высочайший уровень контроля над кубитами на основе спиновых состояний в алмазе — одной из самых перспективных платформ для создания квантовых процессоров.
Квантовые компьютеры функционируют на основе логических вентилей, последовательности которых образуют вычислительный процесс. Для выполнения алгоритмов, способных превзойти классические системы, вероятность ошибки на один вентиль должна находиться в пределах 0,1%–1%. Только тогда коррекция ошибок сможет справляться с шумами, обеспечивая надежность вычислений. Успех команды QuTech в достижении уровня ошибок до 0,001% для отдельных вентилей открывает дорогу к разработке более сложных систем.
В основе работы лежат алмазные кубиты, которые используют электронные и ядерные спины азото-замещённых вакансий в кристалле. Эти кубиты характеризуются высокой стабильностью, сохраняющей когерентность при температурах до 10 К при слабом взаимодействии с окружением. Их взаимодействие с фотонами также позволяет интегрировать их в квантовые сети. Однако создание полного набора точных вентилей оставалось вызовом из-за внешних шумов и сложности управления спиновыми состояниями.
Ученые смогли преодолеть эти проблемы, разработав двухкубитную систему с рекордными характеристиками. Электронный спин NV-центра использовался в качестве первого кубита, а ядерный спин атома азота — второго. Для уменьшения ошибок они применили алмазы с пониженной концентрацией углерода-13 (менее 0,01%), чьи ядра вызывают магнитные помехи. После этого была создана импульсная последовательность, которая изолирует кубиты друг от друга и от остаточного шума.
«Ключевым было не только уменьшение внешних помех, но и точная настройка параметров управления», — отметил руководитель эксперимента Ханс Бартлинг.
Для анализа ошибок использовался метод «томография наборов вентилей» (gate set tomography), позволяющий восстановить полное квантовое описание операций. Это позволило выявить даже минимальные отклонения и оптимизировать параметры вентилей. В тестовых испытаниях система продемонстрировала предсказуемость: после 800 последовательных операций результаты совпали с моделью, построенной на основе характеристик отдельных вентилей.
Невзирая на достигнутый успех, расширение технологии требует решения ряда новых задач. Эксперимент служит доказательством концепции для двух кубитов. Чтобы создать процессоры с тысячами кубитов, необходимо интегрировать управляющую электронику, оптические системы и развивать архитектуры, устойчивые к ошибкам. Вместе с Fujitsu QuTech изучает методы массового производства алмазных чипов и проектирования гибридных систем, сочетающих различные типы кубитов.
Прорыв, достигнутый в QuTech, приближает нас к эре практического квантового вычисления, но ещё много предстоит сделать на пути к коммерциализации технологий. Следующие шаги включают не только увеличение числа кубитов, но и создание полного технологического «стека». Это потребует объединения усилий как научных исследователей, так и промышленности, чтобы превратить лабораторные эксперименты в функционирующую вычислительную инфраструктуру.
Источник: iXBT
