Квантовые компьютеры позиционируются как следующий этап вычислительной техники, способный выполнять вычисления за считанные минуты, на которые даже самым быстрым суперкомпьютерам современности потребовались бы десятилетия. Квантовые компьютеры используют квантовые состояния материалов для обработки большой последовательности базовых операций, также известных как квантовые вентили. Точность квантовых вентилей определяет точность вычислений, выполняемых на квантовом компьютере. В этой связи исследователи во многих странах сосредоточены на дальнейшем снижении частоты ошибок квантовых вентилей, чтобы последующая коррекция ошибок могла работать более эффективно и проложить путь к будущему квантовых вычислений.
Согласно последних официальных сообщений, система Aquantum gate, разработанная с использованием алмазных спиновых кубитов, установила мировой рекорд, достигнув показателя вероятности ошибки менее 0,1 процента. Это достижение было достигнуто благодаря сотрудничеству исследователей из японских компаний Fujitsu и QuTech, а также разработке технологии квантовых вычислений в Делфтском университете в Нидерландах.
Как известно, спины в алмазах могут использоваться для хранения квантовых данных или кубитов. Внутри кристалла алмаза есть два типа спинов – электронный и ядерный, которые образуются из-за специфических дефектов центров окраски. Они могут сохранять квантовые состояния в течение длительного времени. В отличие от сверхпроводящих кубитов, которые работают вблизи абсолютного нуля, алмазные спиновые кубиты могут работать при в 100 раз более высоких температурах - до 10 градусов Кельвина. Эти кубиты могут легко связываться с фотонами – частицами света – для передачи квантовых состояний, защищая их при этом от помех окружающей среды, что делает их идеальными кандидатами для создания квантовых сетей.
Исследователи из японских компаний Fujitsu и QuTech сотрудничали с компанией Element Six, производящей синтетические алмазы, для создания алмазов с низкой концентрацией изотопа углерода-13 и создали систему из двух кубитов, один из которых образован спином электрона, а другой - ядерным спином алмаза. Частота ошибок для каждого типа вентилей в этой двухкубитной системе не превышала 0,1%, а для некоторых из них достигала даже 0,001%.
“Для создания таких высокоточных затворов нам пришлось систематически устранять источники ошибок”, - сказал Ханс Бартлинг, исследователь из QuTech, в пресс-релизе. “Первым шагом было использование сверхчистых алмазов с более низкой концентрацией изотопов углерода-13, поскольку они вызывают шум. Вторым ключевым шагом была разработка вентилей, которые тщательно отделяют вращающиеся кубиты друг от друга и от взаимодействия с оставшимся шумом в окружающей среде”.
Чтобы охарактеризовать гейты, исследовательская группа использовала метод, называемый "томографией набора гейтов", который предоставил подробную информацию об ошибках гейтов и силе импульса, которая затем была использована для их оптимизации. Затем исследовательская группа протестировала гейты, используя искусственный алгоритм с большой последовательностью гейтов. После 800 операций квантовая система была признана точной и хорошо изученной.
В будущем исследователи планируют работать над увеличением числа ядерных спинов в системе и разработкой оптических соединений для увеличения числа управляемых кубитов.
Результаты исследования были опубликованы в журнале Physical Review Applied.
