Eksperimento metu pasiekta silicio pagrindo kvantinio kompiuterio riba: tai bus proveržis kompiuterių pramonėje

Mirgančios antraštės apie kvantinius kompiuterius paprastai randasi iš pasiekimų, naudojant superlaidžius kubitus, tokius, kokie naudojami Google ir IBM kvantiniuose kompiuteriuose, ar įkalintus jonus, kaip „IonQ“ ir „Honeywell“. Bet nepaisant jų įspūdingų savybių, jiems reikia atskirų patalpų, o ir surinkti rankomis juos turi vieni iš šviesiausių pasaulio protų.

Būtent todėl norima pasinaudoti įprastų kompiuterių lustų miniatiūrizacijos ir gamybos technologijų proveržiais, ir kvantinius kompiuterius gaminti iš silicio. Tyrėjai šia sritimi užsiima jau ne vienus metus, ir nieko keisto, kad kad šiuo keliu kvantinių kompiuterių lenktynėse pasuko ir Intel. Tačiau nepaisant progreso, aukštas silicio kubitų klaidų lygis jų panaudojimą ribojo.

Kadangi pačių kvantinių būsenų prigimtis tokia trapi, klaidos yra visų šių technologijų rykštė, ir norint pasiekti bent kiek ženklesnį mastą, neįmanoma apsieiti be klaidų taisymo schemų. Bet šios schemos veikia tik jeigu klaidų lygis pakankamai žemas; iš esmės, reikia ištaisyti klaidas sparčiau, nei jos randasi.

Perspektyviausių klaidų taisymo algoritmų šeima dabar yra vadinamieji „paviršiaus kodai“ ir kad jie veiktų, kubituose ar tarp jų, būtina, kubitai veiktų didesniu nei 99 procentų patikimumu. Silicio kubitais to įvykdyti ilgai nepavyko, bet naujausiame Nature numeryje apie šios lemiamo riboženklio peržengimą praneša trys tyrėjų grupės.

Pirmuose dviejuose straipsniuose, kuriuos pateikė „RIKEN“ Japonijoje ir „QuTech“, „Delfto“ technologijos universiteto Nyderlandų taikomųjų mokslo tyrimų organizacijos sandarbis, naudojami kvantinių taškų kubitai. Tai yra iš puslaidininkių pagaminti maži spąstai, kuriuose laikoma po vieną elektroną. Informacija į kubitą gali būti koduojame, manipuliuojant elektrono sukinį, fundamentalią elementariųjų dalelių savybę.

Pagrindinė abiejų grupių proveržio sąlyga buvo kruopšti kubitų ir kontrolės sistemų inžinerija. Bet QuTech grupė sistemai derinti dar panaudojo ir Sandia National Laboratories tyrėjų sukurtą diagnostikos įrankį, tuo tarpu „RIKEN“ komanda atrado, kad patikimumą didina didesnis operacijų greitis.

Trečioji grupė, iš Naujojo Pietų Velso universiteto naudojo truputį kitokį būdą, kaip kubitus naudodami silicio kristalinėje gardelėje įterptus fosforo atomus. Lyginant su dauguma kitų kubitų, šie savo kvantines būsenas gali išlaikyti itin ilgai, bet dėl to sunkiau priversti juos sąveikauti. Grupė tai išsprendę, susiedama du tokius fosforo atomus elektronu, ir taip jie galėjo bendrauti.

Visoms trims grupėms pavyko pasiekti didesnį nei 99 procentų patikimumą tiek operacijose su vienu kubitu, tiek ir su dviem, o tai peržengia klaidų taisymo kartelę. Jiems netgi pavyko savo sistemomis atlikti kai kuriuose bazinius principo įrodymo skaičiavimus. Kaip bebūtų, iki klaidoms atsparių kvantinių procesorių iš silicio dar tolimas kelias.

Didelio kvantnių operacijų patikimumo lygio pasiekimas – tik viena iš būtinų efektyvaus klaidų taisymo sąlygų. Dar reikia turėti daug atliekamų, konkrečiai šiai užduočiai skirtų kubitų, kad likusieji galėtų spręsti tas problemas, kurioms spręsti procesorius buvo skirtas.

Kaip pažymima „Nature“ analizėje, papildomi kubitai šiose sistemose padėtį tikrai komplikuos, ir tokį pat patikimumą išlaikyti didesnėse sistemose bus sunku. Ne menkesnis iššūkis bus ir kubitų sujungimas didelėje sistemoje.

Tačiau perspektyva gaminti kompaktiškus kvantinius kompiuterius naudojant išbandytą ir patikimą esančių kompiuterių kūrimo technologiją, rodo, kad šias problemas bandyti išspręsti – verta.

Tyrimas publikuotas žurnale „Nature“: https://www.nature.com/articles/s41586-021-04292-7

Šaltinis: https://singularityhub.com/2022/01/21/silicon-quantum-computing-achieves-99-percent-accuracy-for-the-first-time/

https://newsroom.unsw.edu.au/news/science-tech/quantum-computing-silicon-hits-99-cent-accuracy