Кремниевые спиновые кубиты - это квантовые биты, где информация хранится в направлении спина (собственного момента) электрона, запертого в кремниевой подложке. Они перспективны для масштабируемых квантовых компьютеров, поскольку совместимы с технологиями производства обычных полупроводниковых чипов. Но есть слабое место: при одновременном управлении несколькими кубитами точность обычно падает. А для полезной работы квантового компьютера нужно много кубитов сразу - и без потери качества операций.

Группа исследователей из Центра наук о новых материалах RIKEN (Япония) и их коллеги нашли способ справиться с этой проблемой. Они работали с массивом из пяти кремниевых спиновых кубитов, которыми управляли через одну общую микроволновую линию. Результаты опубликованы в журнале Nature Physics.

Сначала учёные выяснили главного виновника ошибок. Им оказался так называемый сдвиг Ааронова - Бома (AC Stark shift) - явление, при котором микроволновый сигнал управления меняет эффективные уровни энергии кубита. Из-за этого сдвигается фаза квантового состояния, и операция выполняется менее точно. Когда кубиты работают одновременно, такие сдвиги мешают друг другу.

Чтобы компенсировать искажения, команда разработала протокол калибровки, который можно масштабировать. Вместо того чтобы настраивать каждую возможную комбинацию кубитов по отдельности, исследователи используют калибровки между парами кубитов. "Наш метод с помощью попарных калибровок компенсирует нежелательные фазовые сдвиги", - поясняет И-Сянь У, первый автор работы, выполнявший эксперименты в рамках своей диссертации.

Точность операций характеризует параметр под названием "верность" (fidelity): он показывает, насколько точно выполняется квантовая операция. На оптимизированном устройстве с тщательно настроенными микроволновыми импульсами верность одномоментных операций на каждом из пяти кубитов по отдельности превысила 99,99%, а лучший результат приблизился к 99,999%. Когда одновременно работали до трёх кубитов, верность снова оказалась выше 99,99%. При параллельной работе всех пяти кубитов она держалась на уровне около 99,9% - близко к практическим требованиям отказоустойчивых квантовых вычислений.

Оставшееся снижение точности исследователи связывают с декогеренцией, вызванной управляющим сигналом: при одновременной работе требуется большая микроволновая мощность, а это ведёт к потере квантовой когерентности. В отличие от фазовых сдвигов, которые устраняет новый протокол, этот эффект связан с утратой согласованности квантового состояния. "Это ограничение, но дальнейшие улучшения конструкции устройства могут помочь ослабить этот источник ошибок", - отмечает Леон Каменцинд, научный сотрудник RIKEN и соавтор работы.

Авторы подчёркивают: результаты показывают, что высокую точность управления не обязательно терять при параллельной работе кремниевых спиновых кубитов. По словам Каменцинда, работа поддерживает использование общих линий управления как практического пути к масштабированию квантовых процессоров. "Наша долгосрочная цель - построить отказоустойчивый квантовый компьютер на кремниевых спиновых кубитах, и надёжное параллельное управление - важный шаг к ней", - добавляет Сэйго Тарутя, руководитель проекта в рамках программы Moonshot Goal 6 Японского агентства науки и технологий (JST).

Источник: Phys.org