Пять атомов в кремнии победили квантовый хаос. Ошибки теперь не приговор — а решаемая задача
NewsMakerЛогический квантовый процессор перестал быть экзотикой.
Кремний, на котором держится почти вся современная электроника, сделал еще один шаг в сторону квантовых компьютеров. Исследователи впервые показали логический квантовый процессор на кремниевой платформе. Для отрасли это важный рубеж: речь идет уже не просто об отдельных кубитах, а о системе, где квантовая информация кодируется так, чтобы устройство могло отслеживать ошибки и лучше переносить помехи. Именно такой подход считается основой для отказоустойчивых вычислений , без которых полноценные практические квантовые машины вряд ли появятся.
Главная трудность в квантовых вычислениях давно известна. Квантовые состояния очень легко разрушаются под действием внешнего шума, неточностей управления и паразитных взаимодействий между элементами схемы. Из-за этого даже удачно подготовленный кубит может быстро потерять информацию. Чтобы бороться с такой нестабильностью, инженеры и физики используют логическое кодирование: данные не хранят в одном физическом кубите, а распределяют между несколькими. Тогда система получает шанс замечать ошибки и не разваливаться сразу после первых же сбоев.
На других платформах подобные схемы уже показывали. Логические кубиты и операции с ними ранее демонстрировали в сверхпроводниковых системах, на нейтральных атомах, в центрах окраски азот-вакансия в алмазе и в ионных ловушках. Но для кремниевых спиновых кубитов задача оставалась заметно сложнее. У кремния есть сильные стороны: он совместим с привычными технологиями производства микросхем, а спиновые кубиты на его основе могут долго сохранять квантовое состояние. Именно поэтому кремниевую платформу давно считают одним из самых реальных кандидатов на масштабируемый квантовый компьютер. Проблема в том, что по мере роста схемы начинают сильнее мешать скученность частот и перекрестные помехи. Управляющие сигналы все хуже разделяются, а воздействие на один кубит начинает задевать соседние.
Авторы новой работы сумели построить систему, которая обходит часть этих ограничений за счет логического кодирования. В основе процессора лежат пять ядерных спинов фосфора в донорном кластере внутри кремния. Именно они играют роль кубитов. Для работы исследователи использовали код [[4, 2, 2]] - это код обнаружения ошибок, который упаковывает два логических кубита в четыре физических и считается одним из самых экономных вариантов для демонстрации отказоустойчивых принципов. Логические операции в устройстве выполнялись с помощью сочетания ядерного магнитного резонанса и электронного спинового резонанса. В итоге команда получила кремниевую схему, которая умеет обрабатывать квантовую информацию, параллельно проверять ошибки и снижать влияние кросс-помех, одного из главных источников сбоев в квантовых системах.
Кремний, на котором держится почти вся современная электроника, сделал еще один шаг в сторону квантовых компьютеров. Исследователи впервые показали логический квантовый процессор на кремниевой платформе. Для отрасли это важный рубеж: речь идет уже не просто об отдельных кубитах, а о системе, где квантовая информация кодируется так, чтобы устройство могло отслеживать ошибки и лучше переносить помехи. Именно такой подход считается основой для отказоустойчивых вычислений , без которых полноценные практические квантовые машины вряд ли появятся.
Главная трудность в квантовых вычислениях давно известна. Квантовые состояния очень легко разрушаются под действием внешнего шума, неточностей управления и паразитных взаимодействий между элементами схемы. Из-за этого даже удачно подготовленный кубит может быстро потерять информацию. Чтобы бороться с такой нестабильностью, инженеры и физики используют логическое кодирование: данные не хранят в одном физическом кубите, а распределяют между несколькими. Тогда система получает шанс замечать ошибки и не разваливаться сразу после первых же сбоев.
На других платформах подобные схемы уже показывали. Логические кубиты и операции с ними ранее демонстрировали в сверхпроводниковых системах, на нейтральных атомах, в центрах окраски азот-вакансия в алмазе и в ионных ловушках. Но для кремниевых спиновых кубитов задача оставалась заметно сложнее. У кремния есть сильные стороны: он совместим с привычными технологиями производства микросхем, а спиновые кубиты на его основе могут долго сохранять квантовое состояние. Именно поэтому кремниевую платформу давно считают одним из самых реальных кандидатов на масштабируемый квантовый компьютер. Проблема в том, что по мере роста схемы начинают сильнее мешать скученность частот и перекрестные помехи. Управляющие сигналы все хуже разделяются, а воздействие на один кубит начинает задевать соседние.
Авторы новой работы сумели построить систему, которая обходит часть этих ограничений за счет логического кодирования. В основе процессора лежат пять ядерных спинов фосфора в донорном кластере внутри кремния. Именно они играют роль кубитов. Для работы исследователи использовали код [[4, 2, 2]] - это код обнаружения ошибок, который упаковывает два логических кубита в четыре физических и считается одним из самых экономных вариантов для демонстрации отказоустойчивых принципов. Логические операции в устройстве выполнялись с помощью сочетания ядерного магнитного резонанса и электронного спинового резонанса. В итоге команда получила кремниевую схему, которая умеет обрабатывать квантовую информацию, параллельно проверять ошибки и снижать влияние кросс-помех, одного из главных источников сбоев в квантовых системах.