Университет Нового Южного Уэльса заявил о достижении точности квантовых вычислений в 99%

Исследования Университета Нового Южного Уэльса (UNSW) в Австралии заявили о достижении 99% точности квантовых вычислений. Это позволит проложить путь к созданию квантовых устройств на основе кремния, совместимых с современными технологиями производства полупроводников.

Профессор Андреа Морелло из UNSW заявил: «Когда ошибки настолько редки, появляется возможность обнаружить их и исправить при появлении. Это показывает, что можно создавать квантовые компьютеры, которые имеют достаточный масштаб и достаточную мощность для выполнения значимых вычислений».

Теперь цель команды — создать «универсальный квантовый компьютер», который не будет привязан ни к одному конкретному приложению.

«Это исследование — важная веха на пути, который приведет нас к цели», — говорит Морелло. 

Статья профессора — одна из трех, опубликованных в журнале Nature, которые независимо подтверждают, что надежные и надежные квантовые вычисления в кремнии стали реальностью. 

Морелло и другие исследователи добились точности работы с одним кубитом до 99,95%, а точности работы с двумя кубитами — 99,37% в системе из трех кубитов (электрон и два атома фосфора, введенных в кремний посредством ионной имплантации).

Команда из Делфта в Нидерландах под руководством Ливена Вандерсипена достигла точности 99,87% для одного кубита и 99,65% для двух кубитов, используя электронные спины в квантовых точках, сформированных в кремнии и кремний-германиевом сплаве (Si/SiGe).

Команда RIKEN в Японии под руководством Сейго Таруча также достигла точности 99,84% для одного кубита и 99,51% для двух кубитов в двухэлектронной системе с использованием квантовых точек Si/SiGe.

Команды Университета Нового Южного Уэльса и Делфта сертифицировали производительность своих квантовых процессоров, используя сложный метод, называемый гейт-томографией, разработанный в Sandia National Laboratories в США и открытый для исследовательского сообщества.

Морелло ранее продемонстрировал, что он может сохранять квантовую информацию в кремнии в течение 35 секунд из-за чрезвычайной изоляции ядерных спинов от окружающей среды.

«В квантовом мире 35 секунд — это вечность, — говорит он. — «Для сравнения, в знаменитых сверхпроводящих квантовых компьютерах Google и IBM время ее жизни составляет около ста микросекунд — почти в миллион раз меньше».

Но компромисс заключался в том, что изоляция кубитов сделала невозможным их взаимодействие друг с другом, а это необходимо для выполнения реальных вычислений. В новой статье описывается, как команда Морелла преодолела эту проблему, используя электрон, окружающий два ядра атомов фосфора.

«Если у вас есть два ядра, соединенных с одним и тем же электроном, вы можете заставить их выполнять квантовую операцию», — говорит Матеуш Мондзик, один из ведущих авторов экспериментов. — «Пока вы не управляете электроном, эти ядра безопасно хранят свою квантовую информацию. Но теперь у вас есть возможность заставить их обмениваться данными через электрон, чтобы реализовать универсальные квантовые операции, которые можно адаптировать к любой вычислительной задаче».

Доктор Серван Асаад, еще один ведущий автор эксперимента, дополняет: «Ядерные спины — это основной квантовый процессор. Если вы запутаете их с электроном, то он может быть перемещен в другое место и запутан с другими ядрами кубитов дальше, открывая путь к созданию больших массивов кубитов, способных к надежным и полезным вычислениям».

Профессор Дэвид Джеймисон, руководитель исследования в Мельбурнском университете, говорит: «Атомы фосфора были введены в кремниевый чип с помощью ионной имплантации, того же метода, который используется во всех существующих кремниевых компьютерных чипах. Это гарантирует, что наш квантовый прорыв совместим с более широкой полупроводниковой промышленностью».

Все существующие компьютеры используют ту или иную форму исправления ошибок и избыточности данных, но законы квантовой физики накладывают серьезные ограничения на то, как происходит коррекция ошибок в квантовом компьютере. Профессор Морелло объясняет: «Обычно для применения протоколов квантовой коррекции требуется частота ошибок ниже 1%. Достигнув этой цели, мы можем приступить к разработке кремниевых квантовых процессоров, которые масштабируются и надежно работают для полезных вычислений».

Полупроводниковые спиновые кубиты в кремнии имеют все шансы стать предпочтительной платформой для надежных квантовых компьютеров. Они достаточно стабильны, чтобы хранить квантовую информацию в течение длительных периодов времени, и их можно масштабировать с помощью методов, известных из существующих передовых технологий производства полупроводников.

Комментаторы отмечают, что основная проблема квантовых вычислений в том, что процент ошибок становится больше при добавлении кубитов в систему. В связи с этим расчеты приходится перепроверять. Проблему, по их словам, можно решить, если использовать несколько систем параллельно для одной задачи вычислений. Однако проверка вычислений будет занимать много времени.