Квантовый компьютер на основе кремния впервые выполнил логические операции

Кремний, ставший фундаментом современной микроэлектроники, официально закрепил свои позиции и в квантовой гонке. Международная группа исследователей совершила технологический прорыв, впервые продемонстрировав работу логического квантового процессора на базе кремниевых спиновых кубитов. Результаты работы, опубликованные в журнале Nature Nanotechnology, открывают прямой путь к созданию масштабируемых и устойчивых квантовых вычислений (FTQC), сообщает Phys.org.

Проблема «хрупких» вычислений

Главным препятствием на пути к практическому применению квантовых компьютеров остается их экстремальная чувствительность к внешним воздействиям. Малейшие колебания температуры или электромагнитные помехи вызывают ошибки в вычислениях. Решением считается переход от физических кубитов к логическим.

Логический кубит — это группа физических объектов, объединенных специальным кодом коррекции ошибок. Если один из элементов «сбоит», система распознает это и сохраняет целостность данных.

До сих пор логические операции успешно демонстрировались на сверхпроводниках и ловушках ионов, но реализация этой концепции в кремнии — материале, идеально подходящем для массового производства чипов, — долгое время оставалась труднодостижимой целью из-за проблем с перекрестными помехами и наложением частот.

Пять ядерных спинов против хаоса

Команда ученых преодолела эти барьеры, используя пять ядерных спинов фосфора, внедренных в кремниевый кластер. Для управления системой была применена комбинация ядерного магнитного резонанса и электронного спинового резонанса. В качестве архитектуры выбрали код [[4, 2, 2]], который позволяет кодировать два логических кубита в четыре физических при минимальных затратах ресурсов.

Особенность нового устройства заключается в его способности не просто вычислять, но и одновременно проверять себя на ошибки. Разработчики внедрили три метода коррекции:

1. Проверку четности данных (Метод контроля ошибок, при котором к набору данных добавляется один лишний бит, чтобы общее количество единиц в блоке всегда было четным (или нечетным). Если при передаче или хранении один бит изменится, итоговая сумма перестанет соответствовать заданному правилу, что позволит системе мгновенно обнаружить сбой.)
2. Калибровку функций Клиффорда (Метод исправления системных ошибок в квантовых операциях с помощью предварительно вычисленной калибровочной функции. Она сопоставляет идеальные теоретические значения логических вентилей с реальными зашумленными результатами, позволяя «очистить» данные и значительно повысить точность финальных вычислений.)
3. Верификацию симметрии (Метод фильтрации ошибок, основанный на проверке того, сохраняются ли в ходе вычислений фундаментальные физические свойства системы (например, закон сохранения энергии или спина). Если результат квантовой операции нарушает эти правила симметрии, система распознает событие как сбой и исключает неверные данные из итогового расчета.)

Это позволило радикально снизить влияние шумов и «перекрестных наводок» (crosstalk) — главного врага масштабируемых систем.

От теории к практике

Чтобы доказать эффективность процессора, исследователи поручили ему классическую, но сложную задачу — расчет энергии основного состояния молекулы воды. Используя вариационный квантовый алгоритм (VQE), система провела симуляцию с точностью, которая, по признанию авторов, «показала поразительное соответствие теоретическим значениям».

Успех эксперимента знаменует переход от работы с нестабильными физическими кубитами к полноценному логическому кодированию. В планах команды — совершенствование технологии размещения атомов-доноров в кремнии и расширение массивов до больших логических сетей.

Поскольку производство таких процессоров во многом совместимо с существующими заводскими линиями для обычных микросхем, этот успех делает кремний фаворитом в борьбе за создание первого коммерчески применимого квантового компьютера.