Silīcija spin kubiti var kļūt par nozīmīgu nākotnes kvantu skaitļošanas sastāvdaļu, jo tos iespējams ražot ar tām pašām pusvadītāju izgatavošanas metodēm, ko izmanto mūsdienu datoru mikroshēmām. Tomēr līdz šim pētniekiem bija jāsaskaras ar būtisku problēmu: vienlaikus vadot vairākus kubitus, to darbību precizitāte mēdza samazināties.

Lai izveidotu praktiskus un lielus kvantu datorus, zinātniekiem būs jāspēj kontrolēt daudz kubitu vienlaikus, vienlaikus saglabājot kļūdu līmeni pēc iespējas zemāku. RIKEN Emerģējošās matērijas zinātnes centra pētnieki un viņu līdzstrādnieki tagad ir spēruši nozīmīgu soli šīs problēmas risināšanā. Pētījums publicēts žurnālā Nature Physics.

Eksperimentos izmantots piecu kubitu masīvs, kas savienots ar kopīgu mikroviļņu vadības līniju. Nosakot vienu no galvenajiem kļūdu avotiem, kas parādās vienlaicīgas darbības laikā, pētnieki izstrādāja paņēmienu šo kļūdu mazināšanai un augstas precizitātes saglabāšanai.

RIKEN pētnieks un eksperimentu vadītājs, pētījuma pirmais līdzautors Leons Kamenzinds norādīja, ka rezultāti apliecina iespēju saglabāt augstas precizitātes vadību arī tad, kad vairāki kubiti darbojas vienlaikus. Viņaprāt, tas ir nozīmīgs solis ceļā uz silīcija kvantu procesoru mērogošanu.

Zinātnieki nosaka slēptu kvantu skaitļošanas kļūdu avotu

Atšķirībā no tradicionālajiem datoriem, kas informāciju glabā bitos ar vērtību 0 vai 1, kvantu datori izmanto kvantu bitus jeb kubitus. Tie var atrasties abu stāvokļu kombinācijā. Silīcija spin kubitos informācija tiek glabāta, izmantojot atsevišķu elektronu spinu, kas atrodas silīcija materiālā.

Lai kvantu aprēķini būtu uzticami, nepieciešama ārkārtīgi precīza šo elektronu spinu vadība. To nodrošina mikroviļņu signāli, taču vairāku kubitu vienlaicīga darbība var radīt nevēlamus efektus, kas traucē to precizitātei. Pētnieki lielu daļu šīs problēmas saistīja ar parādību, ko dēvē par AC Starka nobīdi.

Šī parādība rodas, kad mikroviļņu vadības signāli maina kubita efektīvos enerģijas līmeņus, izraisot tā kvantu stāvokļa fāzes izmaiņas. Šīs fāzes nobīdes var izjaukt paredzēto atsevišķu kubitu darbību, jo īpaši tad, ja vienlaikus tiek kontrolēti vairāki kubiti.

Lai novērstu šo problēmu, komanda izveidoja kalibrēšanas metodi, kas kompensē nevēlamās nobīdes. Tā vietā, lai atsevišķi kalibrētu visas iespējamās kubitu kombinācijas, šī pieeja balstās uz kalibrēšanu starp kubitu pāriem. Tas padara metodi praktiskāku sistēmās ar lielāku kvantu bitu skaitu.

“Tā vietā, lai katrai iespējamajai kubitu kombinācijai būtu nepieciešama pilnīgi atsevišķa kalibrēšanas procedūra, mūsu metode izmanto kalibrēšanu starp kubitu pāriem, lai kompensētu nevēlamās fāzes nobīdes,” skaidroja Yi-Hsien Wu, pētījuma pirmais autors, kurš eksperimentus veica doktorantūras pētījuma ietvaros.

Piecu kubitu sistēma saglabā ļoti augstu precizitāti

Pētnieki apvienoja kalibrēšanas metodi ar uzlabotu ierīces konstrukciju un rūpīgi noregulētiem mikroviļņu vadības impulsiem. Rezultāti parādīja, ka ārkārtīgi augstu precizitāti iespējams saglabāt arī tad, kad vienlaikus darbojas vairāki kubiti.

Atsevišķi pārbaudot piecus kubitus, katra vienkubita vārtu darbības precizitāte jeb fidelity pārsniedza 99,99%, bet labākais rezultāts bija tuvu 99,999%. Šis rādītājs raksturo to, cik precīzi kvantu operācija atbilst iecerētajam rezultātam.

Pēc tam komanda pārbaudīja sistēmu, vienlaikus aktivizējot vairākus kubitus. Ja vienlaikus darbojās līdz trim kubitiem, precizitāte joprojām pārsniedza 99,99%. Savukārt visu piecu kubitu vienlaicīgas vadības gadījumā tā saglabājās aptuveni 99,9% līmenī — tuvu tam, kas nepieciešams praktiskai kļūdu tolerantai kvantu skaitļošanai.

Lai gan kalibrēšanas metode kļūdas būtiski samazināja, tā tās pilnībā nenovērsa. Atlikušo precizitātes zudumu pētnieki saistīja ar vadības izraisītu dekoherenci. Tā rodas tādēļ, ka vairāku kubitu vienlaicīgai darbībai nepieciešama lielāka mikroviļņu jauda.

Atšķirībā no nevēlamajām fāzes nobīdēm, ko koriģē jaunā metode, dekoherence nozīmē trauslās kvantu koherences zudumu, kas nepieciešama uzticamai operāciju izpildei. “Tas ir ierobežojums, taču turpmāki ierīces konstrukcijas uzlabojumi varētu palīdzēt mazināt šo kļūdu avotu,” sacīja Kamenzinds.

Kopīgas vadības līnijas varētu atvieglot kvantu procesoru mērogošanu

Pētījuma rezultāti liecina, ka vairāku silīcija spin kubitu vienlaicīgai vadībai nav obligāti jāizraisa būtisks precizitātes kritums. Izlabojot vienu no būtiskākajiem kļūdu avotiem, pētnieki demonstrējuši perspektīvu pieeju, kā vairāk kubitu darbināt, izmantojot kopīgas mikroviļņu vadības līnijas.

Tas ir īpaši svarīgi lielu kvantu procesoru izstrādē. Ja katram kubitam būtu vajadzīga atsevišķa neatkarīga vadības sistēma, arvien sarežģītākas ierīces būtu grūti pārvaldīt. Kopīgas vadības līnijas varētu nodrošināt praktiskāku veidu, kā šādas sistēmas paplašināt, saglabājot kvantu aprēķiniem nepieciešamo precizitāti.

“Pievēršoties būtiskam vadības kļūdu avotam ar pāru kalibrēšanas palīdzību, mūsu pētījums atbalsta kopīgu vadības līniju izmantošanu kā praktisku pieeju kvantu procesoru mērogošanai,” sacīja Kamenzinds. Viņš piebilda, ka šis sasniegums kopā ar silīcija savietojamību ar jau izveidotām pusvadītāju ražošanas metodēm var palīdzēt izveidot lielākus kvantu procesorus, kas spētu veikt arvien sarežģītākus aprēķinus.

Plaša mēroga mērķis ir izstrādāt kvantu datorus, kas spētu uzticami veikt aprēķinus, neraugoties uz kļūdām un traucējumiem, kuri ietekmē kvantu sistēmas. Šādiem kļūdu tolerantajiem kvantu datoriem būs nepieciešama precīza un uzticama liela skaita kubitu vadība.

“Mūsu ilgtermiņa mērķis ir izveidot uz silīcija spin kubitiem balstītu kļūdu tolerantu kvantu datoru, un uzticama paralēlā vadība ir būtisks solis šī mērķa sasniegšanai,” sacīja Seigo Taruča, Silīcija kvantu skaitļošanas projekta vadītājs JST programmas Moonshot Goal 6 ietvaros.