Sciencemag.cz
Doporučujeme
Qubity jako spiny elektronů v kvantových tečkách nebo jako od okolí izolované jaderné spiny propojené elektronem. V jediném vydání Nature byly nedávno publikovány hned tři studie týkající se kvantových počítačů, které dospěly k podobným výsledkům.
První studie vznikla na QuTechu (společné pracoviště Delft University of Technology a nizozemské asociace pro aplikovaný výzkum TNO). Tato práce zkoumala spinové qubity v polovodičích, což je aktuálně jedna z nenadějnějších platforem pro realizaci kvantových počítačů. Konkrétně se výzkum soustředí na realizaci qubitů pomocí spinů elektronů v kvantových tečkách. K výhodám této technologie patří relativně dlouhá doba koherence (tj, životnost qubitu, než dojde k narušení provázanosti a kolapsu do klasického stavu – dekoherenci), malé rozměry, možnosti škálování a kompatibilita s již zavedenými technologiemi výroby polovodičů. Hlavní výzvou je aktuálně realizace výpočetních operací s dostatečnou přesností (věrností, fidelity).
Dlouhodobým cílem pro spinové qubity v polovodičích je snížení chybovosti/dosažení věrnosti dvouqubitových hradel nad 99 %. Tento limit je dán tím, že stávající kvantové počítače používají určité techniky pro opravu chyb (pomocí redundance dat), ale zákony kvantové fyziky představují závažná omezení pro způsob, jakým oprava v kvantovém počítači probíhá. Současné protokoly tak vyžadují, aby chybovost byla nižší než 1 %. Jednoqubitové operace spinových qubitů v kvantových tečkách dosahují věrnosti 99,9 %, ale dosud uváděné věrnosti dvouqubitových hradel se pohybovaly od 92 % do 98 %. Výzkumníci QuTech nyní realizovali spinový kvantový procesor v křemíku s jedno- a dvouqubitovými hradly, která všechna přesahují 99,5% přesnost.
„Použili jsme dvojitou kvantovou tečku definovanou hradlem v izotopicky obohacené heterostruktuře 28Si/SiGe (stohovaný křemík a slitina křemíku s germaniem), přičemž každá tečka je obsazena jedním elektronem. Posílení věrnosti dvouqubitového hradla výrazně nad 99 % vyžadovalo vylepšené materiály a speciálně navržené metody řízení a kalibrace qubitů,“ uvádí hlavní autor studie Xiao Xue. Nezávislé studie prokázaly čtení spinových qubitů s věrností nad 98 % za pouhých několik µs, přičemž se pracuje na dalších zlepšeních.
Výsledkem by tak mohl být vysoce integrovaný kvantový počítač odolnější proti chybám.
Xue et al. (2021) ‚Quantum logic with spin qubits crossing the surface code threshold‘ Nature, DOI: 10.1038/s41586-021-04273-w
Zdroj: QuTech/Phys.org
Tým z japonského RIKENu rovněž využil qubity realizované jako spiny elektronů v kvantových tečkách, pro něž QuTechu dodal jako materiál opět stohovaný 28Si/SiGe. Skupina na UNSW Sydney (University of New South Wales) použila naproti tomu místo kvantových teček jaderné spiny vázané na křemík s příměsí atomů fosforu.
Andrea Morello z UNSW a její kolegové dosáhli věrnosti jednoqubitových operací až 99,95 % a dvouqubitové věrnosti 99,37 %; vše bylo realizováno v tříqubitovém systému složeném z elektronu a dvou atomů fosforu, který byl do křemíku zaveden metodou implantace iontů (běžná metoda používaná u současných křemíkových čipů, kompatibilní s polovodičovým průmyslem).
Díky izolaci jaderných spinů od okolí se navíc podařilo dosáhnout životnosti 35 s. Současné kvantové počítače IBM a Google dosahují doby výpočtu jen asi 100 mikrosekund.
Jaderné spiny přinášejí obecně velkou stabilitu/životnost qubitů díky své výjimečné izolaci od okolí. Stejná vlastnost však ztěžuje jejich interakci a provádění kvantově-logických operací. Průlomový objev týmu má spočívat ve využití běžného elektronu ke zprostředkování interakce, což právě vede k vysoce věrným univerzálním kvantově-logickým operacím. Elektron sám o sobě je navíc vysoce kvalitním qubitem a může být uveden do plně kvantově provázaného stavu s oběma jádry. Pokud se s elektronem nemanipuluje, jádra bezpečně uchovávají svou kvantovou informaci. Pomocí elektronu se pak realizují i operace s jadernými spiny.
„Pokud jaderné spiny zapletete s elektronem, pak lze elektron přesunout na jiné místo a zapletete ho s dalšími jádry qubitů, což otevírá cestu k vytvoření velkých polí qubitů schopných robustních výpočtů,“ uvádí spoluautor studie Serwan Asaad.
Vizualizace tříqubitového systému UNSW, který dokáže provádět kvantové logické operace s více než 99% přesností. (V tříqubitovém křemíkovém kvantovém procesoru bylo dosaženo věrnosti kvantových operací nad 99 %. První dva qubity (Q1, Q2) jsou jaderné spiny individuálně implantovaných atomů fosforu (červené kuličky). Třetí qubit (Q3) je spin elektronu, který obtéká obě jádra (lesklá elipsa).). Kredit: Tony Melov / UNSW
Týmy z UNSW a Delftu rovněž certifikovaly výkon svých kvantových procesorů pomocí sofistikované metodiky gate set tomography, která byla vyvinuta v Sandia National Laboratories.
Andrea Morello, Precision tomography of a three-qubit donor quantum processor in silicon, Nature (2022). DOI: 10.1038/s41586-021-04292-7. www.nature.com/articles/s41586-021-04292-7
Akito Noiri, Fast universal quantum gate above the fault-tolerance threshold in silicon, Nature (2022). DOI: 10.1038/s41586-021-04182-y. www.nature.com/articles/s41586-021-04182-y
Zdroj: University of New South Wales / Phys.org
