Для масштабирования квантовых компьютеров необходимо добавить и соединить больше кубитов. Однако предыдущие попытки сделать это приводили к потере качества соединения, или точности. Но новое исследование, опубликованное в журнале Nature, подробно описывает конструкцию нового типа процессора, который преодолевает эту проблему. Процессор, разработанный компанией Silicon Quantum Computing, использует кремний — основной материал, используемый в классических компьютерах, — вместе с атомами фосфора для соединения 11 кубитов.
Платформа 14|15
В новой конструкции используются точно расположенные атомы фосфора в изотопно очищенном кремнии-28, которые размещены в двух многоядерных спиновых регистрах. Один регистр содержит четыре атома фосфора, а другой — пять, и каждый регистр разделяет электронный спин. Два регистра связаны электронным обменным взаимодействием , что обеспечивает нелокальную связь между регистрами и 11 связанными кубитами.
Из-за расположения кремния и фосфора в периодической таблице эта конструкция получила название «платформа 14|15». Этот 11-кубитный атомный процессор на кремнии является самым большим в своем роде на сегодняшний день и представляет собой крупное достижение в области квантовых вычислений.
«Нам удалось управлять 11 кубитами, манипулируя несколькими наборами микроволновых частот с помощью методов, изменяющих спин электронов или ядер с использованием различных «резонансных» частот», — поясняют авторы исследования в своем информационном документе.
Плавное масштабирование
Наиболее впечатляющим аспектом новой конструкции является ее способность поддерживать очень высокую точность при масштабировании. В предыдущих разработках процессоры на основе сверхпроводников, ионных ловушек и нейтральных атомов достигали сотен кубитов, но сталкивались со специфическими проблемами, характерными для каждой платформы, такими как производство, миниатюризация систем управления и вопросы материаловедения. Однако платформа 14|15 открывает путь к масштабируемым, отказоустойчивым квантовым вычислениям с использованием практичных кремниевых технологий, обеспечивая точность более 99%.
«Увеличивая количество связанных кубитов, мы показали, что показатели физического уровня сохраняются, а некоторые из них даже улучшаются: точность двухкубитных вентилей впервые в кремниевых кубитах достигла 99,9%», — пишут авторы исследования.
Команда исследователей утверждает, что каждая пара ядерных спинов в 11-кубитной системе была запутана с точностью состояний Белла от 91,4% до 99,5% внутри регистров и от 87,0% до 97,0% между регистрами. Было обнаружено, что запутанность сохраняется для восьми ядерных спинов.
Последствия для квантовых вычислений
Команда с оптимизмом смотрит в будущее платформы 14|15, заявляя: «Наше исследование знаменует собой важный этап на пути от экспериментальных квантовых устройств к практичным, модульным и масштабируемым машинам, демонстрируя, что надежные и большие квантовые системы могут быть созданы с использованием атомно-инженерных кремниевых устройств. Объединив возможность создания кубита и его управляющих элементов с субнанометровой точностью всего из двух типов атомов (фосфора и кремния), мы продемонстрировали техническое мастерство и заложили ключевую основу для будущего квантовых вычислений».
Перспективные направления исследований включают в себя тестирование с использованием произвольных состояний кубитов-зрителей, оптимизацию управляющих импульсов, проектирование регистров для усиления сверхтонких связей и дальнейшее увеличение числа кубитов. В конечном итоге, цель состоит в том, чтобы использовать подобные технологии для ускорения разработки мощных квантовых устройств для решения реальных задач.