Учёные выяснили, что квантовые системы, созданные на основе твёрдых материалов, часто ошибаются в своей работе. Это может помешать кубитам слаженно работать и снизит производительность компьютера.

Исследователи из австралийской компании Diraq и Университета Нового Южного Уэльса решили изучить ошибки, которые возникают в процессоре, состоящем из двухкубитных затворов в кремниевых квантовых точках.

Результаты исследования, опубликованные в журнале Nature Physics, дают новое представление о возможностях и проблемах, связанных с расширением масштаба кремниевых спиновых кубитов.

Соавторы работы Эндрю Дзурак и Туомо Тантту напомнили, что кремниевый чип играет ключевую роль в цифровизации нашей повседневной жизни. Без него не было бы ни наших любимых смартфонов, ни компьютеров, которые помогают нам учиться и работать.

Чип также позволяет управлять системами, предоставляющими доступ к информации и обмен данными. Это делает нашу жизнь удобнее, а экономику — эффективнее.

Благодаря столь широкому применению чипа выросла целая индустрия по производству комплементарных металлооксидных полупроводников (CMOS).

Инженеры и квантовые физики объединяют усилия, чтобы создать квантовый компьютер на основе кремния. Почему именно кремний? Всё дело в том, что производство транзисторов на его основе уже хорошо изучено и контролируется.

Diraq — компания, которая стоит во главе такого проекта. Её генеральный директор и основатель, Дзурак, рассказывает о важности современных производственных процессов для создания первого в мире отказоустойчивого квантового компьютера. Идея заключается в разработке и использовании спиновых кубитов из кремния, которые будут совместимы с литейным производством CMOS. Это откроет новые горизонты в области квантовых вычислений.

В последнее время Дзурак, Тантту и их коллеги из Diraq особенно активно изучают передовые методы кодирования кубитов в спиновых носителях, созданных на основе полупроводников. Эти носители можно производить в большом количестве и интегрировать в различные системы. Это открывает новые возможности для развития квантовых технологий и может привести к созданию более мощных и эффективных устройств.

Чтобы проводить квантовые вычисления, нужны кубиты — их нужно когерентно контролировать и соединять друг с другом.

Цель Дзурака — понять, можно ли обеспечить высокоточные (выше 99%) переключения между кубитами на той же кремниевой платформе, которая используется для кремниевых транзисторов. В процессе исследования учёные также хотят выяснить, какие источники шума ухудшают точность запутывающих ворот.

Если получится разобраться в этом вопросе, то можно будет создать более надёжные квантовые компьютеры из широкодоступных материалов.

Учёные применили три диагностических метода, чтобы изучить квантовые состояния и логические затворы в спин-кубитовом устройстве на основе кремния. Это поможет лучше понять принципы работы квантовых компьютеров и усовершенствовать их.

Чтобы провести исследование в области контроля и измерения устойчивой производительности, мы выбрали три надёжных метода. Это Interleaved Randomized Benchmarking (IRB), Gate Set Tomography (GST) и Fast Bayesian Tomography (FBT).

Исследователи применили различные методы диагностики, которые запустили определённые логические процессы в квантовом процессоре. Это позволило им собрать информацию о принципах работы процессора и выявить возможные ошибки.

Подобные инструменты диагностики необходимы для создания надёжных квантовых устройств. Они помогают улучшить качество логических операций, также известных как квантовые логические ворота, — говорит Тантту.

Оба метода томографии позволили получить подробную картину шумовых каналов. Традиционный метод IRB даёт только один показатель верности без дополнительной информации.

Дзурак, Тантту и коллеги предложили перспективный метод извлечения информации из данных, соединённых с помощью IRB. Они повторно проанализировали эти данные, запустив FBT-анализ.

Исследовательская группа провела испытания, которые позволили сделать два важных вывода:

• достигнута высокая операционная верность (больше 99%) для запутывающих ворот в платформе;
• определены источники шума в запутывающих затворах. Это поможет улучшить точность работы ворот.

Мы можем использовать технологию кремниевых транзисторов для создания квантовых компьютеров, — говорит Дзурак.

Команда Diraq работает над улучшением и тестированием спин-кубитового процессора. Они хотят повторить эксперимент не только в лаборатории, но и с использованием спиновых процессоров, созданных на заводе.

Дзурак также отметил, что полезно изучить возможность использования понимания основных ошибок для улучшения точности работы с помощью улучшенных материалов или методов управления.

Поскольку наши операционные характеристики близки к другим твердотельным платформам, мы ожидаем дальнейшего прогресса, например, увеличения количества кубитов в одном чипе.