Группа исследователей из Нидерландов разместила на чипе рекордное количество кремниевых спиновых кубитов. Объединив передовой модульный программный стек, эффективные процедуры калибровки и надежное изготовление устройств, исследователи показали, что они могут работать с новым шестикубитным чипом с высокой точностью, открывая путь для еще большего количества кубитов в кремниевых устройствах.
Хотя у квантовых компьютеров есть несколько принципиальных преимуществ по сравнению с их классическими аналогами, многие из этих преимуществ будут реализованы только тогда, когда квантовые компьютеры смогут работать как минимум с миллионом кубитов. Существует много многообещающих платформ кубитов, в том числе сверхпроводящие кубиты, захваченные ионы и фотонные платформы, и исследователи уже продемонстрировали, что они могут контролировать от нескольких десятков до нескольких сотен кубитов, в зависимости от платформы. Однако в каждом случае одним из основных факторов, мешающих исследователям увеличивать количество кубитов, является то, что кубиты могут декогерентизироваться (потерять свою квантовую природу) и стать объектом перекрестных помех от соседних кубитов. Оба процесса влияют на качество всей системы.
Полупроводниковые кубиты, такие как кремниевые спины, играют важную роль в игре кубит-платформ: они могут производиться серийно, как обычные компьютерные чипы. Эта масштабируемость делает их многообещающими кандидатами для создания крупномасштабного квантового компьютера, а высокое качество или точность операций с участием одиночных кремниевых спиновых кубитов или пар кубитов (99.9%) является еще одним преимуществом.
Однако работа с большим количеством кремниевых спиновых кубитов с такой высокой точностью оказалась сложной, поскольку спин электрона очень чувствителен. Это означает, что, хотя различные процессы кубитов (включая инициализацию и считывание) были продемонстрированы по отдельности с высокой точностью, их объединение означало жертвование точностью всего процесса.
На следующий уровень
Новый кремниевый чип, созданный исследователями из QuTech (сотрудничество Делфтского технологического университета и TNO), преодолевает некоторые из этих прежних проблем. Помимо хранения рекордного количества шести спиновых кубитов, размещенных в линейном массиве квантовых точек, чип также включает в себя две чувствительные квантовые точки для индивидуального и универсального контроля и считывания. Кроме того, исследователи применяют набор протоколов, направленных на поддержание высокой точности, таких как автоматические процедуры калибровки и программное обеспечение для обработки сигналов после выбора, чтобы уменьшить количество ошибок.
Что еще больше отличает этот результат от предыдущих попыток, так это то, что процесс инициализации кубитов, то есть перевод всех кубитов в желаемое начальное состояние, сочетает измерения спинового состояния с обратной связью в реальном времени. Преимущество этой схемы в том, что она не полагается на гораздо более медленный процесс, называемый термализацией, при котором кубиты «сбрасываются», помещая их в основное состояние. Кроме того, каждый спиновый кубит работает с одним электроном и не требует доступа к электронным «резервуарам» для добавления новых. Это делает их операции быстрее, а это означает, что операции могут быть завершены до того, как сработает декогеренция.
Исследователи доказали высокое качество своего устройства, продемонстрировав 99.9% точность операций с однокубитными вентилями. Соответствующая точность двухкубитных вентилей была указана путем подготовки специальных квантовых состояний, известных как состояния Белла, с точностью 89–95% по всему массиву — результат, который ясно продемонстрировал эффект передовых протоколов команды.
Следующий шаг: одновременные операции
Ведущий исследователь Ливен Вандерсипен, который является соавтором статьи в природа Обрисовывая в общих чертах работу, говорит, что следующим шагом команды будет выполнение одновременных операций над кубитами, что позволит выполнять больше операций, прежде чем эффекты декогеренции станут слишком большими. Он также планирует выполнять квантовые алгоритмы на процессоре, и команда уже работает над массивами квантовых точек в двух измерениях, а также над методами соединения двух массивов квантовых точек через встроенную квантовую связь.
Кремниевые спиновые кубиты производятся в промышленных масштабах
Сильвано де Франчески, исследователь из CEA в Гренобле, Франция, который не участвовал в этой работе, называет ее «довольно прочной и убедительной». Он добавляет, что реализация регистра с шестью кубитами является важным шагом на пути к увеличению количества кубитов в кремнии, и говорит, что протоколы исследователей сыграли важную роль в достижении высокой точности для операций с одним и двумя кубитами. Однако он также отмечает, что выполнение таких операций в элементарной системе из двух кубитов — это не то же самое, что в массиве кубитов, поскольку последний «технически более сложен». Наконец, он отмечает, что исследование выявляет важные проблемы, такие как необходимость понимания и компенсации эффектов нагрева, связанных с работой массива спин-кубитов.
