Japońscy badacze z instytutu RIKEN pokazali, że kilka krzemowych kubitów może pracować jednocześnie z dokładnością około 99,9%. Wcześniej jednoczesne sterowanie wieloma kubitami zwykle psuło precyzję operacji. Wyniki opublikowano w czasopiśmie „Nature Physics”.
Dlaczego krzem jest tak ważny
Komputery kwantowe zamiast zwykłych bitów, które przyjmują wartość 0 lub 1, wykorzystują kubity, czyli układy mogące znajdować się w kombinacji obu stanów. W krzemowych kubitach spinowych informację przechowuje spin pojedynczych elektronów uwięzionych w krzemie.
Główną zaletą tej technologii jest to, że takie układy można wytwarzać metodami podobnymi do tych, którymi produkuje się dzisiejsze procesory. To otwiera drogę do budowy dużych maszyn na istniejącej infrastrukturze przemysłowej. Problem w tym, że do praktycznego komputera potrzeba wielu kubitów sterowanych w tym samym czasie, a przy tym każda dodatkowa operacja zwiększa ryzyko błędu.
Ukryte źródło błędów
Kubitami steruje się sygnałami mikrofalowymi. Gdy pracuje kilka kubitów naraz, pojawiają się niepożądane efekty. Zespół wskazał jako ich ważną przyczynę zjawisko zwane przesunięciem Starka AC. Sygnał sterujący zmienia wtedy efektywne poziomy energii kubitu, a to przesuwa fazę jego stanu kwantowego i zakłóca zamierzoną operację.
Badacze opracowali metodę kalibracji, która te przesunięcia kompensuje. Nie trzeba osobno kalibrować każdej możliwej kombinacji kubitów, bo wystarczą kalibracje między parami. Dzięki temu podejście ma być praktyczne także dla większych układów. Jak wyjaśnia pierwszy autor badania Yi-Hsien Wu, metoda wykorzystuje kalibracje między parami kubitów, by skompensować niechciane przesunięcia fazy.
Jakie wyniki uzyskano
Eksperyment przeprowadzono na układzie pięciu kubitów podłączonych do wspólnej linii sterowania mikrofalowego. Oprócz kalibracji zespół zastosował ulepszoną konstrukcję urządzenia i starannie dobrane impulsy mikrofalowe. Jakość operacji opisuje wierność (ang. fidelity), czyli miara zgodności wykonanej operacji z zamierzonym wynikiem.
- Przy testach pojedynczych kubitów wierność bramek była wyraźnie powyżej 99,99%, a najlepsza zbliżyła się do 99,999%.
- Przy jednoczesnej pracy do trzech kubitów wierność nadal przekraczała 99,99%.
- Gdy sterowano wszystkimi pięcioma naraz, dokładność wynosiła około 99,9%.
Metoda nie usunęła błędów całkowicie. Pozostałe straty badacze wiążą z dekoherencją wywołaną sterowaniem, czyli utratą delikatnej koherencji kwantowej przy większej mocy mikrofal potrzebnej do obsługi kilku kubitów. Leon Camenzind ocenia, że to ograniczenie, które można łagodzić dalszymi poprawkami w konstrukcji urządzeń.
Co to oznacza w praktyce
Dla zwykłego czytelnika to wciąż badania podstawowe i nie oznaczają szybkiego pojawienia się użytecznych komputerów kwantowych. Pięć kubitów to bardzo mało w porównaniu z liczbą, jakiej wymagałyby poważne obliczenia. Wynik jest jednak istotny, bo dotyczy skalowania, czyli jednego z najtrudniejszych etapów rozwoju tej technologii.
Wspólne linie sterowania mają znaczenie, ponieważ dawanie każdemu kubitowi osobnego układu sterowania szybko stałoby się trudne do opanowania. Cel, jaki wskazuje projekt kierowany przez Seigo Tarucha, to komputer kwantowy odporny na błędy (fault-tolerant) oparty na krzemowych kubitach spinowych.
Praca jest japońska i nie dotyczy bezpośrednio Polski ani przepisów UE. Pośrednio pokazuje jednak kierunek, w którym zmierza branża: ku rozwiązaniom kompatybilnym z klasyczną produkcją półprzewodników, co może interesować także europejskie ośrodki badawcze zajmujące się technologiami kwantowymi.
Źródło: ScienceDaily – „Scientists overcome a hidden obstacle to more powerful quantum computers”
