Первая демонстрация универсального управления закодированными спиновыми кубитами

Квантовые вычисления (КК) представляют собой известные примеры аппаратного ускорения для конкретных задач, но их трудно реализовать из-за их чувствительности к небольшим ошибкам из-за шума или неполного управления. Принципы отказоустойчивости могут обеспечить ускорение вычислений с использованием несовершенного оборудования, но они предъявляют строгие требования к характеру и взаимосвязанности ошибок.

Для многих технологий кубитов некоторые проблемы в достижении отказоустойчивости можно проследить до связанных с ними ошибок, возникающих из-за необходимости управлять кубитом с помощью резонансных инъекций совпадающих кубитов микроволновой энергии. HRL Laboratories, LLC опубликовала первую всестороннюю демонстрацию управления закодированными спиновыми кубитами. Эксперимент продемонстрировал глобальный контроль над закодированными кубитами, а это означает, что кубиты можно успешно использовать для реализации любого типа квантовых вычислительных алгоритмов.

Этот недавно появившийся подход к квантовым вычислениям использует новую архитектуру устройства с кубитами на основе кремния, которая улавливает отдельные электроны в квантовых точках. Три из этих одиноких электронов имеют энергетические состояния кубита, управляемые контактными взаимодействиями ближайших соседей, которые частично обмениваются соседними спиновыми состояниями.

Поскольку эксперимент показал, что их закодированные кубиты могут универсально управляться, любая квантовая вычислительная техника может быть эффективно реализована с использованием кубитов. Квантовые кубиты для кремниево-кремниево-германиевых квантовых точек используют три электронных спина и метод управления, при котором напряжения, приложенные к металлическим затворам, частично переключают направления спинов этих электронов, не выравнивая их в каком-либо одном порядке.

Во время презентации десятки тщательно откалиброванных импульсов напряжения подавались один за другим в непосредственной близости в течение нескольких миллионных долей секунды.

Обогащенный изотопами кремний, полное электрическое управление процессами частичного обмена с малым перекрытием, настраиваемая нечувствительность кодека к конкретным источникам ошибок и обеспечиваемая им квантовая когерентность — все вместе обеспечивает жизненно важный путь к масштабируемой устойчивости к ошибкам и вычислениям функций, которые имеют решающее значение. шаги к коммерческому квантовому компьютеру.

Ученый HRL и старший автор Аарон Вайнштейн сказал: «Помимо очевидных проблем проектирования и производства, необходимо было написать много надежного программного обеспечения, например, для точной настройки и калибровки нашей системы управления. Значительные усилия были потрачены на разработку автоматизированных и эффективных процедур для определения приложенного напряжения, которое в степени частичного обмена. Поскольку для определения уровня ошибок необходимо выполнить тысячи этих операций, каждый процесс должен быть точным. Мы много работали, чтобы весь этот контроль работал с высокой точностью».

Руководитель группы HRL и соавтор Митч Джонс сказал: «Это была очень командная работа. Важную роль сыграла активная работа талантливых команд управляющего программного обеспечения, теории, развития аппаратного обеспечения и производства. Кроме того, для достаточного понимания внутренней физики и разработки процедур, позволяющих лучше контролировать эти процессы, требовалось множество инструментальных измерений. квантово-механических взаимодействий». Надежно. Эта работа и иллюстрация являются кульминацией этих измерений, которые стали еще лучше благодаря совместной работе с некоторыми из самых ярких ученых, которых я встречал».

Таддеус Лэдд, руководитель группы HRL и соавтор Он сказалИ «Трудно определить лучшую технологию кубитов, но я думаю, что кубиты, состоящие только из кремния, по крайней мере, лучшие. Все еще существуют реальные проблемы в улучшении ошибок, масштабировании, скорости, однородности, перекрестных помехах и других аспектах, но ничто из этого не требует чудо. Для многих других типов кубитов по крайней мере один аспект все еще кажется сложным».

При увеличении масштаба квантовые компьютеры будут отличаться от традиционных суперкомпьютеров тем, что они будут использовать хрупкое свойство квантовой физики, известное как квантовая запутанность, для выполнения некоторых вычислений, на которые обычным компьютерам обычно требуются годы или десятилетия. Моделирование поведения макромолекул является одним из таких расчетов среди многих мыслимых приложений.

Ссылка на журнал:

1. Аарон Дж. Вайнштейн и др. Универсальная логика с вращательными кубитами, закодированными в кремнии // Природа (2023). DOI: 10.1038/с41586-023-05777-3