Физики из Австралии создали почти «безошибочный» квантовый компьютер

0

Австралийские ученые смогли снизить уровень ошибок в работе полупроводниковых кубитов, элементарных ячеек квантового компьютера, до уровня в 0,04%. Это открывает дорогу для создания универсальных вычислительных машин, заявляют физики в журнале Nature Electronics.

«Мы очень благодарны нашим коллегам-теоретикам из университета Сиднея, чьи идеи помогли нам разобраться, какие типы ошибок возникали в наших кремниевых кубитах. Благодаря этому мы смогли достичь точности работы в 99,957%, что пока является мировым рекордом для устройств такого типа», — заявил Эндрю Дзурак из университета Нового Южного Уэльса (Австралия).

Дзурак и его коллеги по университету уже несколько лет разрабатывают компоненты, необходимые для сборки полноценного твердотельного квантового компьютера. Так, в 2010 году они создали квантовый одноэлектронный транзистор, а в 2012 году — полноценный кремниевый кубит на основе атома фосфора-31.

В 2013 году они собрали новую версию кубита, которая позволяла почти со 100% точностью считывать данные из него и оставалась стабильной очень долго. В октябре 2015 года Дзурак и его команда сделали первый шаг к созданию первого кремниевого квантового компьютера, объединив два кубита в модуль, выполняющий логическую операцию ИЛИ.

Оставался один шаг — научиться объединять подобные кубиты, используя те же полупроводниковые технологии, что и сами ячейки квантовой памяти. Сделать это было крайне тяжело, так как "обычные" полупроводниковые кубиты могут взаимодействовать друг с другом лишь на небольшом расстоянии.

Решив эту проблему два года назад, австралийские ученые задумались о том, как можно "склеить" кубиты в единое целое и научиться "печатать" их так, как это делают производители электроники при создании микросхем. Плодом этих размышлений стали первые планы по созданию квантовых "микросхем", представленные командой Дзурака в декабре 2017 года.

Эти идеи, как отмечает Дзурак, его команде удалось воплотить на практике прошлой осенью, используя так называемую КМОП-технологию — одну из самых распространенных и отработанных методик изготовления микросхем. Ученые применили ее для "печати" всех компонентов кубитов, а также микроволновых излучателей, квантовых точек и транзисторов, необходимых для корректной записи новых данных в квантовую ячейку памяти.

Решив эту проблему, физики задумались о следующем большом шаге — для создания действительно универсального квантового компьютера им нужно было заставить свои кубиты работать практически идеально, совершая ошибки не чаще, чем в 1% случаев. В таком случае остальные проблемы в их работе можно ликвидировать, используя специальные алгоритмы коррекции ошибок и логические, а не физические кубиты.

Как отмечает исследователь, повысить точность работы подобных устройств можно двумя путями — улучшая конструкцию самих ячеек памяти и меняя то, как информация считывается и записывается в них. Австралийские физики пошли по второму пути, используя алгоритмы и приемы, разработанные их коллегами-теоретиками из университета Сиднея.

Они помогли Дзураку и его команде поменять структуру управляющих микроволновых импульсов таким образом, что число ошибок при считывании или записи данных снизилось на несколько порядков. В результате этого ученые не только перешагнули через "барьер коррекции ошибок", но и обошли сверхпроводниковые и "атомные" кубиты, считавшиеся раньше более перспективными для создания сложных квантовых машин.

«Частота появления ошибок была настолько малой, что нашим коллегам-экспериментаторам пришлось придумать достаточно изощренные методики для их обнаружения. Нам приходилось держать машины включенными на протяжении многих дней для того, чтобы поймать хотя бы одну ошибку и понять, что ее порождало», — добавляет Стивен Бартлетт (Stephen Bartlett), физик-теоретик из университета Сиднея (Австралия).

В ближайшее время обе группы исследователей планируют провести аналогичные замеры на комбинациях из нескольких кубитах и микросхемах, которые уже были созданы Дзураком и его командой в прошлом. Как надеются ученые, они смогут снизить общий уровень ошибок до такого уровня, который позволит создать полноценный квантовый компьютер в ближайшие годы.