Австралийские исследователи доказали, что практически безошибочные квантовые вычисления возможны. Точность перешагнула порог в 99%.
Теперь, когда ошибки настолько редки (1%), их можно обнаружить и исправить. А значит, появилась возможность создавать квантовые компьютеры, которые имеют достаточную мощность для выполнения значимых вычислений.
Три группы учёных, независимо друг от друга, провели исследования, результаты которых подтверждают, что квантовые вычисления вышли на новый уровень, достигнув небывалой точности:
- Группа Морелло из университета Нового Южного Уэльса (UNSW) в Австралии добилась точности работы с одним кубитом до 99,95%, а с двумя кубитами – до 99,37%. Использовалась трехкубитная система, состоящая из электрона и двух атомов фосфора, введенных в кремний посредством ионнойимплантации. Ссылка на публикацию: https://www.nature.com/articles/s41586-021-04292-7
- Команда из Делфта в Нидерландах под руководством Ливена Вандерсипена достигла 99,87% точности с 1кубитом и 99,65% с 2 кубитами, используя кремниевые и кремний-германиевые наноструктуры с квантовыми точками (Si/SiGe). Ссылка на публикацию: https://doi.org/10.1038/s41586-021-04273-w
- Команда RIKEN в Японии под руководством Сейго Таруча (Seigo Tarucha) также достигла точности 99,84% для 1 кубита и 99,51% для 2 кубитов в двухэлектронной системе с использованием квантовых точек Si/SiGe. Ссылка на публикацию: https://www.nature.com/articles/s41586-021-04182-y
Команды Университета Нового Южного Уэльса и Делфта сертифицировали производительность своих квантовых процессоров с использованием сложного метода, называемого томографией с гейт-сетом, разработанную в Sandia National Laboratories в США и открытую для исследовательского сообщества.
Морелло ранее продемонстрировал, что он может сохранять квантовую информацию в кремнии в течение 35 секунд из-за крайней изоляции спинов ядер от окружающей среды.
В квантовом мире 35 секунд — это целая вечность. Для сравнения, в знаменитых сверхпроводящих квантовых компьютерах Google и IBM время жизни информации составляет около ста микросекунд — почти в миллион раз меньше.
Но вынужденный компромисс заключался в том, что изоляция кубитов делала невозможным их взаимодействие друг с другом, а это необходимо для выполнения реальных вычислений.
Спины ядер спины учатся взаимодействовать
Теперь команда учёных преодолела эту проблему благодаря использованию электрона, охватывающий два ядра атомов фосфора. Если два ядра соединены с одним и тем же электроном, их можно заставить выполнять квантовую операцию.
Пока вы не управляете электроном, ядра безопасно хранят свою квантовую информацию. Но теперь есть возможность заставить их общаться друг с другом через электрон, чтобы реализовать универсальные квантовые операции, которые можно адаптировать к любой вычислительной задаче.
Если запутать спины ядер с электроном, электрон можно будет перемещать в другое место и далее запутать его с другими ядрами кубитов, открывая путь к созданию больших массивов кубитов, способных к надежным и полезным вычислениям.
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 новый квантовый прорыв легко внедрится в актуальную полупроводниковую промышленность.
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 в квантовом компьютере. Обычно для применения протоколов квантовой коррекции ошибок требуется частота ошибок ниже 1 процента. Ранее это было недостижимо, но теперь путь открыт. Полупроводниковые спиновые кубиты в кремнии имеют все шансы стать предпочтительной платформой для создания надежных квантовых компьютеров.
