Полупроводниковые кубиты вступили в квантовую гонку
Три научные группы из разных университетов смогли показать возможности квантовых процессоров на полупроводниках. На разных квантовых системах им удалось реализовать квантовые операции с высокой точностью и низким уровнем ошибок. Кроме того, физики показали, что разработанные ими платформы пригодны для реализации классических квантовых и вариационных алгоритмов. Статьи [1,2,3] опубликованы в журнале Nature.
В гонке по созданию универсального или полезного для практических применений квантового вычислителя ученые используют не только все возможные средства, но и все доступные платформы — на сверхпроводниках, нейтральных атомах, ионах, спинах или фотонах. Причем, сложно говорить о том, какое из направлений лидирует и невозможно предсказать какое из них вырвется вперед в ближайший год. Из-за того, что каждое имеет собственную специфику, физики находят разные применения для разных платформ.
В прошлом году ученые смогли создать управляемую спиновую жидкость с помощью двумерной решетки нейтральных атомов, что поможет в будущем при создании надежных квантовых компьютеров. В позапрошлом году физики смогли продемонстрировать квантовое превосходство на фотонном чипе, а еще годом ранее компания Google сообщала о том, что их вычислитель на сверхпроводниках впервые смог решить задачу быстрее, чем классический компьютер.
Этот год начался с успехов в работе с полупроводниковыми кубитами. Работа квантовых вычислителей на полупроводниках основана на наличии дефектов в кристаллической решетке полупроводника. Изначально физики проводили исследования и пробовали реализовывать простые квантовые вычисления на дефектах в алмазе. Дефекты в твердом теле связаны с нарушением кристаллической решетки — в узле решетки нет атома (вакансия), или он находится между узлами решетки, или свободную вакансию занял какой-то примесный атом. Ключевой момент в образовании дефекта — наличие электрона, спин которого может меняться в зависимости от его положения и возможности измерять этот спин по тому, как будет излучать дефект. Например, для NV-центра в алмазе сильное свечение говорит о том, что электрон, находящийся в центре вакансии, имеет спин 0, и наоборот. Так как на самом деле измерение спина — это его проекция на какую-то фиксированную ось, то можно получать состояния суперпозиции и рассматривать его как кубит. Позже на смену дорогому алмазу пришел хорошо изученный кремний и квантовые точки в гетероструктурах кремния и германия.
В первой статье команда физиков из университета Нового Южного Уэльса под руководством Андреа Морелло (Andrea Morello) использовала атомы фосфора 31P в качестве донорных примесей в кремнии. Им удалось создать трехкубитный процессор и показать одно- и двухкубитные операции с его помощью. Важный результат для современных квантовых вычислителей — точность таких операций. Авторам удалось добиться степени совпадения (fidelity) с идеальными операциями порядка 99,95 процента для однокубитных операций и в среднем 99,37 процента для двухкубитных. Кроме того, наличие трех кубитов в системе, позволило физикам приготовить состояние Гринбергера — Хорна — Цайлингера, которое может быть использовано для кластерных квантовых вычислений, с точностью 92,5 процента. Для того чтобы корректировать ошибки, ученые использовали поверхностный код коррекции ошибок (мы писали о нем и других способах коррекции квантовых ошибок в материале «Квантовая коррекция»), благодаря чему им удалось снизить порог ошибок до 0,56 процента. По утверждению авторов, использование вместо фосфора других примесей с большим спином — например, сурьмы или бисмута — позволит увеличить размерность пространства для вычислений.
В двух других работах научные группы исследовали и демонстрировали возможности квантовых точек в гетероструктуре кремния с германидом кремния. Физикам из института физико-химических исследований в Японии под руководством Сейго Таруча (Seigo Tarucha) удалось создать быстрый универсальный квантовый вентиль с низким уровнем ошибок. Их универсальный вентиль позволяет производить над кубитом любую операцию с точностью 99,8 процента для однокубитных операций и 99,5 для двухкубитных. Управлять системой и менять применяемые к кубиту операции физикам позволяет градиент поля, создаваемого микромагнитом, и настраиваемое взаимодействие между кубитами. Созданная перестраиваемая схема позволила ученым реализовать алгоритмы Гровера и Дойча — Йожи.
Команда из Делфтского технического университета под руководством Ливена Вандерсипен (Lieven M. K. Vandersypen) собрала квантовый полупроводниковый процессор тоже на основе квантовой точки в структуре кремний/германид кремния, но использовали его для других задач. Они занимались снижением порога ошибок своего вычислителя и смогли получить значение в один процент. При этом степень совпадения применяемых двухкубитных операций совпала с идеальными на 99,5 процента. В отличие от других работ, ученые попробовали и другой квантововычислительный подход на своем устройстве — вариационный алгоритм, не требующий безошибочной работы процессора. С его помощью они рассчитали основное состояние молекулы водорода и сравнили его с теоретическим — алгоритм дал верный результат. Авторы отметили, что дальнейшее увеличение размерности с сохранением достигнутых значений точности окажется сложной технологической задачей.
Все три исследования направлены на то, чтобы показать возможности и направление будущих работ по развитию полупроводниковых квантовых процессоров. Вкупе с их стабильность, хорошей развитостью полупроводниковых технологий и возможностью работать при комнатной температуре, вопрос их применимости оказывается очень актуальным.
Оксана Борзенкова
Редкий процесс рассмотрели в совместном массиве данных экспериментов CMS и ATLAS
На Большом адронном коллайдере впервые нашли убедительные следы редкого распада бозона Хиггса на Z-бозон и фотон. Его увидели со статистической точностью в 3,4σ в объединенных данных экспериментов CMS и ATLAS по протон-протонным столкновениям за 2015-2018 года. Обнаруженный сигнал совпал с предсказаниями Стандартной модели, но в будущем подробное изучение распада поможет в поиске различий между теорией и экспериментом. О своих результатах физики рассказали на конференции LHCP-2023, подробнее об открытии сообщается в сопровождающей записке. Бозон Хиггса — знаменитая элементарная частица, объясняющая существование инертной массы у ряда частиц Стандартной модели. Существование этой частицы теоретически предсказал Питер Хиггс еще в 1964 году, а в 2012 году ее обнаружили эксперименты CMS и ATLAS на Большом адронном коллайдере. Бозон Хиггса стал последней экспериментально открытой частицей Стандартной модели, но на этом его исследование не закончилось. Те же самые ATLAS и CMS продолжили изучать свойства бозона, в числе которых — каналы его распада и сила его взаимодействия с другими частицами. Почти все предсказываемые Стандартной моделью свойства бозона Хиггса удалось подтвердить. Но некоторые из распадов этой частицы чрезвычайно редкие, поэтому чтобы увидеть и изучить их необходимо накопить особенно большой массив экспериментальных данных. Один из таких распадов — канал в один переносчик слабого взаимодействия Z-бозон и один фотон. Согласно теории, для бозона Хиггса с массой в 125 гигаэлектронвольт доля этого распада среди всех остальных — примерно 0,15 процента. Именно в такие редкие распады физики изучают в поисках расхождения экспериментальных данной со Стандартной моделью, у которой не получается объяснить ряд проблем в современной физике. Отклонение вероятности такого распада от стандартных теоретических предсказаний могло послужить аргументом в пользу моделей, в которых бозон Хиггса на самом деле нейтральный скаляр или сложная частица. Это же может указать на правдивость теорий с дополнительными еще не открытыми бесцветными заряженными частицами, которые взаимодействуют с бозоном Хиггса через петлевые поправки. Теперь же ученым впервые удалось рассмотреть распад бозона Хиггса на Z-бозон и фотон в результатах экспериментов CMS и ATLAS. Физики проанализировали данные, накопленные за 2015-2018 года в ходе протон-протонных столкновений при энергии в системе центра масс в 13 тераэлектронвольт. Z-бозон искали через продукты уже его распада на мюонную или электрон-позитронную пару с массой больше 50 мегаэлектронвольт. Сам распад идентифицировали через пик инвариантной массы пары Z-бозона и фотона в окрестности массы бозона Хиггса — 125 гигаэлектронвольт. Для увеличения чувствительности анализа данных к изучаемому распаду все события-кандидаты разделяли на несколько категорий в зависимости от канала рождения бозона Хиггса, накладывали ограничения на кинематику продуктов распада, а также использовали машинное обучение. В результате физики увидели искомый распад со статистической точностью в 2,2σ для данных ATLAS и 2,6σ для данных CMS, что в сумме дало статистическую точность в 3,4σ. Также ученые оценили силу сигнала µ — отношение наблюдаемого в эксперименте произведения сечения и вероятности распада бозона Хиггса на Z-бозон и фотон к предсказываемому Стандартной моделью значению. Полученное значение µ = 2.2 ± 0.7 хоть и говорит о результате в два раза больше теоретических предсказаний, но из-за высокой погрешности согласуется с теорией со статистической точностью в 1,9σ. При этом доля изучаемого распада бозона Хиггса среди других его распадов оказалась равной (3.4 ± 1.1) × 10−3. Таким образом, для проверки предсказаний Стандартной модели в данном канале распада все еще требуется больше экспериментальных данных. Это далеко не первый редкий распад бозона Хиггса, который зарегистрировали на Большом адронном коллайдере. К примеру, ранее те же эксперименты CMS и ATLAS увидели канал распада на два мюона. А о том, как и почему для изучения таких редких распадов собираются строить электрон-позитронную хиггсовскую фабрику, можно почитать в нашем материале «100 ТэВ на перспективу».
