Oamenii de știință depășesc un obstacol ascuns spre computere cuantice mai puternice
Oamenii de știință au depășit un obstacol major în domeniul calculului cuantic, obținând un control aproape impecabil asupra mai multor qubituri de siliciu simultan, aducând astfel calculatoarele cuantice puternice un pas mai aproape de realitate.
Qubitii de siliciu cu spin ar putea juca un rol important în viitorul calculului cuantic, deoarece pot fi produși folosind aceleași metode de fabricație a semiconductorilor care stau la baza cipurilor de calculator de astăzi. Cu toate acestea, cercetătorii s-au confruntat cu o provocare semnificativă. Atunci când mai mulți qubiti de siliciu sunt controlați în același timp, operațiunile lor tind să devină mai puțin precise. Construirea de calculatoare cuantice practice și de mari dimensiuni va necesita ca oamenii de știință să controleze simultan numeroși qubiti, menținând erorile la un nivel minim.
Cercetătorii de la RIKEN Center for Emergent Matter Science și colaboratorii lor au făcut acum progrese importante în rezolvarea acestei probleme. Într-un studiu publicat în Nature Physics, echipa a demonstrat control de înaltă precizie asupra mai multor qubiti de siliciu cu spin care funcționează simultan. Experimentele lor au utilizat un ansamblu de cinci qubiti conectați la o linie de control comună de microunde. Identificând o cauză majoră a erorilor în timpul funcționării simultane, oamenii de știință au dezvoltat o tehnică pentru a reduce aceste erori și a menține precizia.
Leon Camenzind, un cercetător științific la RIKEN și co-prim autor care a supervizat experimentele, explică semnificația rezultatelor: "Acest lucru arată că un control de înaltă fidelitate poate fi menținut chiar și atunci când mai mulți qubiti sunt operați simultan și reprezintă un pas important spre scalarea procesoarelor cuantice bazate pe siliciu."
Spre deosebire de calculatoarele convenționale, care stochează informația sub formă de biți reprezentând fie 0, fie 1, calculatoarele cuantice folosesc biți cuantici, sau qubiti, care pot exista în combinații ale ambelor stări. Qubitii de siliciu cu spin stochează această informație utilizând spinul electronilor individuali confinați în siliciu. Efectuarea de calcule cuantice fiabile necesită un control extrem de precis asupra acestor spinuri electronice. Semnalele de microunde oferă acest control, dar operarea simultană a mai multor qubiti poate crea efecte nedorite care interferează cu precizia lor.
Cercetătorii au atribuit o mare parte din această problemă unui fenomen numit deplasare AC Stark. Acest efect apare atunci când semnalele de control de microunde alterează nivelurile de energie efective ale unui qubit, producând modificări ale fazei stării sale cuantice. Aceste deplasări de fază pot perturba operațiunea intenționată a qubitilor individuali, în special atunci când mai mulți sunt controlați simultan. Pentru a contracara problema, echipa a creat o metodă de calibrare care compensează aceste deplasări nedorite. În loc să calibreze separat fiecare combinație posibilă de qubiti, tehnica se bazează pe calibrări efectuate între perechi de qubiti. Acest lucru face ca abordarea să fie mai practică pentru sistemele care conțin un număr mai mare de biți cuantici.
"În loc să necesite o procedură de calibrare complet separată pentru fiecare combinație posibilă de qubiti, metoda noastră utilizează calibrări între perechi de qubiti pentru a compensa deplasările de fază nedorite", explică Yi-Hsien Wu, primul autor care a realizat experimentele ca parte a cercetării sale de doctorat.
Cercetătorii au combinat tehnica lor de calibrare cu un design îmbunătățit al dispozitivului și impulsuri de control de microunde atent ajustate. Rezultatele lor au arătat că o precizie excepțional de înaltă putea fi menținută chiar și atunci când mai mulți qubiti funcționau simultan. Când cei cinci qubiti au fost testați individual, fiecare a atins o fidelitate a porții cuantice cu un singur qubit mult peste 99,99%, cea mai înaltă apropiindu-se de 99,999%. Fidelitatea descrie cât de strâns corespunde o operațiune cuantică rezultatului intenționat. Echipa a testat apoi cât de bine a performat sistemul atunci când mai mulți qubiti erau activi împreună. Cu până la trei qubiti funcționând simultan, fidelitatea a rămas peste 99,99%. Chiar și atunci când toți cei cinci qubiti erau controlați simultan, precizia a rămas la aproximativ 99,9%, apropiindu-se de nivelurile necesare pentru calculul cuantic practic, tolerant la erori.
Deși metoda de calibrare a redus semnificativ erorile, nu le-a eliminat complet. Cercetătorii au constatat că pierderea rămasă de precizie era legată de decoerența indusă de semnal, un efect cauzat de puterea mai mare de microunde necesară pentru a opera simultan mai mulți qubiti. Spre deosebire de deplasările de fază nedorite corectate de noua tehnică, decoerența implică pierderea coerenței cuantice delicate necesare pentru operațiuni fiabile. Potrivit lui Camenzind, "Aceasta este o limitare, dar îmbunătățiri suplimentare ale designului dispozitivului ar putea ajuta la atenuarea acestei surse de eroare."
Descoperirile arată că controlarea simultană a mai multor qubiti de siliciu cu spin nu necesită neapărat un sacrificiu major în ceea ce privește precizia. Prin corectarea unei surse cheie de erori, cercetătorii au demonstrat o abordare promițătoare pentru operarea mai multor qubiti prin linii de control comune de microunde. Acest lucru este deosebit de important pentru dezvoltarea procesoarelor cuantice mari. Atribuirea fiecărui qubit propriului sistem de control independent ar face dispozitivele din ce în ce mai complexe dificil de gestionat. Liniile de control comune ar putea oferi o modalitate mai practică de extindere a acestor sisteme, menținând în același timp precizia necesară pentru calculele cuantice.
"Prin abordarea unei surse cheie de erori de control prin calibrare pe perechi", spune Camenzind. "Studiul nostru susține utilizarea liniilor de control comune ca o abordare practică pentru scalarea procesoarelor cuantice. Combinat cu compatibilitatea siliciului cu fabricația semiconductorilor consacrată, credem că acest progres ar putea contribui la deschiderea drumului către procesoare cuantice mai mari, capabile să efectueze calcule din ce în ce mai complexe."
Obiectivul mai larg este dezvoltarea unor calculatoare cuantice care pot efectua calcule în mod fiabil, în ciuda erorilor și a perturbărilor care afectează sistemele cuantice. Astfel de mașini, cunoscute sub numele de calculatoare cuantice tolerante la erori, vor necesita un control precis și de încredere asupra unui număr mare de qubiti. "Obiectivul nostru pe termen lung este să construim un computer cuantic tolerant la erori bazat pe qubiti de siliciu cu spin, iar controlul paralel fiabil este un pas esențial spre acest obiectiv", adaugă Seigo Tarucha, manager de proiect al unui proiect de calcul cuantic pe bază de siliciu în cadrul Obiectivului 6 Moonshot al JST.