Исследователи из Центра эмерджентных материаловедения RIKEN и их коллеги добились точного одновременного управления пятью кремниевыми спиновыми кубитами. Результаты работы опубликованы в журнале Nature Physics. Эксперимент показал, что общая микроволновая линия управления может использоваться без существенной потери точности.
Кубиты на основе кремния рассматриваются как перспективная основа квантовых процессоров, поскольку для их производства подходят те же полупроводниковые технологии, что применяются при изготовлении современных компьютерных чипов. Однако при параллельной работе нескольких кубитов точность операций обычно снижается. Леон Камензинд, научный сотрудник RIKEN и один из первых авторов исследования, назвал полученный результат важным шагом к масштабированию кремниевых квантовых процессоров: «This shows that high-fidelity control can be maintained even when several qubits are operated at the same time and represents an important step toward scaling up silicon-based quantum processors.»
Квантовые компьютеры используют не обычные биты, принимающие значение 0 или 1, а кубиты, способные находиться в сочетании обоих состояний. В кремниевых устройствах информация кодируется спином отдельных электронов, поэтому для выполнения вычислений требуется очень точное управление их состоянием. Учёные установили, что значительная часть ошибок при одновременной работе связана с эффектом AC Stark shift (сдвигом АС-Штарка), при котором микроволновой сигнал меняет эффективные энергетические уровни кубита и вызывает нежелательные фазовые сдвиги.
Для компенсации этого воздействия команда разработала метод калибровки, основанный на настройке пар кубитов. Такой подход избавляет от необходимости отдельно проверять каждую возможную комбинацию элементов и потому лучше подходит для систем с большим числом кубитов. Первый автор работы И-Хсиен Ву пояснил принцип так: «Rather than requiring an entirely separate calibration procedure for every possible combination of qubits, our method uses calibrations between pairs of qubits to compensate for the unwanted phase shifts.»
В сочетании с обновлённой конструкцией устройства и тщательно настроенными микроволновыми импульсами метод обеспечил точность однокубитных операций выше 99,99%, а лучший результат приблизился к 99,999%. При одновременной работе трёх кубитов показатель также превышал 99,99%. Когда управление одновременно осуществлялось всеми пятью кубитами, точность составила около 99,9%.
Полностью устранить ошибки не удалось: оставшееся снижение точности исследователи связали с индуцированной управляющим сигналом декогеренцией, возникающей из-за большей микроволновой мощности при параллельной работе. Леон Камензинд отметил: «This is a limitation, but further improvements to device design could help mitigate this source of error.» По данным ScienceDaily, полученные результаты поддерживают использование общих линий управления как практического способа увеличения числа кубитов. Долгосрочная цель проекта — создание отказоустойчивого квантового компьютера на кремниевых спиновых кубитах, для которого надёжное параллельное управление является необходимым этапом, добавил руководитель проекта Seigo Tarucha.