Кремний, ставший фундаментом современной микроэлектроники, официально закрепил свои позиции и в квантовой гонке. Международная группа исследователей совершила технологический прорыв, впервые продемонстрировав работу логического квантового процессора на базе кремниевых спиновых кубитов. Результаты работы, опубликованные в журнале Nature Nanotechnology, открывают прямой путь к созданию масштабируемых и устойчивых квантовых вычислений (FTQC), сообщает Phys.org.
Проблема «хрупких» вычислений
Главным препятствием на пути к практическому применению квантовых компьютеров остается их экстремальная чувствительность к внешним воздействиям. Малейшие колебания температуры или электромагнитные помехи вызывают ошибки в вычислениях. Решением считается переход от физических кубитов к логическим.
Логический кубит — это группа физических объектов, объединенных специальным кодом коррекции ошибок. Если один из элементов «сбоит», система распознает это и сохраняет целостность данных.
До сих пор логические операции успешно демонстрировались на сверхпроводниках и ловушках ионов, но реализация этой концепции в кремнии — материале, идеально подходящем для массового производства чипов, — долгое время оставалась труднодостижимой целью из-за проблем с перекрестными помехами и наложением частот.
Пять ядерных спинов против хаоса
Команда ученых преодолела эти барьеры, используя пять ядерных спинов фосфора, внедренных в кремниевый кластер. Для управления системой была применена комбинация ядерного магнитного резонанса и электронного спинового резонанса. В качестве архитектуры выбрали код [[4, 2, 2]], который позволяет кодировать два логических кубита в четыре физических при минимальных затратах ресурсов.
Особенность нового устройства заключается в его способности не просто вычислять, но и одновременно проверять себя на ошибки. Разработчики внедрили три метода коррекции:
- Проверку четности данных (Метод контроля ошибок, при котором к набору данных добавляется один лишний бит, чтобы общее количество единиц в блоке всегда было четным (или нечетным). Если при передаче или хранении один бит изменится, итоговая сумма перестанет соответствовать заданному правилу, что позволит системе мгновенно обнаружить сбой.)
- Калибровку функций Клиффорда (Метод исправления системных ошибок в квантовых операциях с помощью предварительно вычисленной калибровочной функции. Она сопоставляет идеальные теоретические значения логических вентилей с реальными зашумленными результатами, позволяя «очистить» данные и значительно повысить точность финальных вычислений.)
- Верификацию симметрии (Метод фильтрации ошибок, основанный на проверке того, сохраняются ли в ходе вычислений фундаментальные физические свойства системы (например, закон сохранения энергии или спина). Если результат квантовой операции нарушает эти правила симметрии, система распознает событие как сбой и исключает неверные данные из итогового расчета.)
Это позволило радикально снизить влияние шумов и «перекрестных наводок» (crosstalk) — главного врага масштабируемых систем.
От теории к практике
Чтобы доказать эффективность процессора, исследователи поручили ему классическую, но сложную задачу — расчет энергии основного состояния молекулы воды. Используя вариационный квантовый алгоритм (VQE), система провела симуляцию с точностью, которая, по признанию авторов, «показала поразительное соответствие теоретическим значениям».
Успех эксперимента знаменует переход от работы с нестабильными физическими кубитами к полноценному логическому кодированию. В планах команды — совершенствование технологии размещения атомов-доноров в кремнии и расширение массивов до больших логических сетей.
Поскольку производство таких процессоров во многом совместимо с существующими заводскими линиями для обычных микросхем, этот успех делает кремний фаворитом в борьбе за создание первого коммерчески применимого квантового компьютера.
Ученые научили атомы в кремнии «разговаривать» друг с другом на расстоянии
Создан лазер для кремниевой фотоники, открывающий путь сверхбыстрым процессорам
Прорыв на пути к квантовому компьютеру: работающий кремниевый чип с шестью кубитами
Подписывайтесь и читайте «Науку» в MAX