Установлен новый рекорд по сверхточному управлению кубитами — строительными блоками квантовых компьютеров. Если получится масштабировать это достижение, оно может привести к созданию квантовых компьютеров с меньшим количеством ошибок.
Для манипуляции или кодирования информации в кубите квантовый компьютер может использовать так называемый однокубитный вентиль, который изменяет состояние квантового бита, подобно тому, как один или несколько транзисторов управляют классическим битом. Обычно такой вентиль ошибается как минимум один раз на 1000 изменений состояния, а то и чаще. Поскольку вычисления требуют миллионов операций и сотен квантовых вентилей, эти ошибки быстро накапливаются, делая вычисления ненадежными.
В Оксфордском университете создали однокубитный вентиль, который ошибается примерно один раз на 10 миллионов операций. Статья о разработке принята к публикации в Physical Review Letters.
«Вероятность быть пораженным молнией в течение года примерно в три раза выше, чем вероятность ошибки этого кубита», — сравнил аспирант Аарон Леу.
В основе нового кубита — положительно заряженный ион кальция. Электромагнитные силы удерживают его в ловушке над чипом, оснащенным миниатюрными компонентами, излучающими точно контролируемые микроволны. Они здесь играют главную роль: направляя излучение на кубит, исследователи смогли создать вентиль, который меняет его квантовое состояние с исключительной надежностью.
Эта работа представляет собой «новый мировой рекорд» в способности управлять состоянием отдельного кубита, заметил физик Дэниел Сличтер из Национального института стандартов и технологий в Колорадо.
«Такое техническое достижение впечатляет — для получения такой высокой точности множество элементов должно работать безупречно», — согласен профессор Джонатан Хом из Швейцарской высшей технической школы Цюриха.
По мнению Сличтера, одним из факторов успеха стало развитие способов генерации точно калиброванных микроволн. Этот прогресс стал возможен благодаря тому, что подобные технологии критически важны для традиционных систем связи.
Действительно, были использованы готовые высококачественные устройства, признал руководивший экспериментами Марио Гели. Но их пришлось кропотливо калибровать, добавил он. Кроме того, потребовалось выявить все возможные источники ошибок, возникающих при взаимодействии кубита и микроволн.
Для реализации любой квантовой программы потребуется не только больше кубитов, но и другой набор микроволновых управляющих элементов, которые будут определять взаимодействие между кубитами. Чем больше и сложнее становится система, тем больше возможностей для ошибок.
Исследователи полагают, что в течение нескольких лет смогут масштабировать систему до двухкубитных вентилей, сохранив при этом столь же низкий уровень ошибок. Между тем, уже полученные результаты по выявлению и устранению ошибок могут помочь всем, кто работает с ионными кубитами, выразила надежду аспирантка Молли Смит.
Несколько компаний уже производят и коммерциализируют такие кубиты, которые ранее использовались для моделирования плохо изученных квантовых систем. Новая работа «демонстрирует, что кубиты на основе ионных ловушек — это ведущая платформа для квантовых вычислений сегодня и останется таковой в будущем», прокомментировал Крис Лангер из компании Quantinuum, которая создает кубиты на основе управляемых лазером ионов.
«Лично я считаю, что это крайне перспективный путь для масштабирования квантового компьютера», — заключил Сличтер.