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