Квантовый компьютер на основе кремния впервые выполняет логические операции

Кремний, ставший основой современной микроэлектроники, официально закрепил свои позиции в квантовой гонке. Международная команда исследователей совершила технологический прорыв, впервые продемонстрировав работу логического квантового процессора на основе кремниевых спиновых кубитов.

Проблема хрупких компьютеров

Главным препятствием на пути практического применения квантовых компьютеров остается их чрезвычайная чувствительность к внешним воздействиям. Малейшие колебания температуры или электромагнитные помехи вызывают ошибки в расчетах. Решением считается переход от физических кубитов к логическим.

Логический кубит — это группа физических объектов, объединенных специальным кодом коррекции ошибок. Если один из элементов выходит из строя, система распознает это и сохраняет целостность данных.

Логические операции до сих пор успешно демонстрировались в сверхпроводниках и ионных ловушках, но реализация этой концепции в кремнии, идеальном материале для массового производства чипов, долгое время была недостижимой целью из-за проблем с перекрестными помехами и наложением частот.

Пять ядерных вращений против хаоса

Команда преодолела эти барьеры, используя пять ядер фосфора, встроенных в кремниевый кластер. Для управления системой использовалась комбинация ядерного магнитного резонанса и электронного спинового резонанса. В качестве архитектуры был выбран код [[4, 2, 2]], который позволяет с минимальными затратами ресурсов закодировать два логических кубита в четыре физических.

Особенность нового устройства заключается в его способности не только производить расчеты, но и одновременно проверять себя на наличие ошибок. Разработчики реализовали три метода коррекции:

Проверка четности данных (метод контроля ошибок, при котором к набору данных добавляется один дополнительный бит, чтобы общее количество единиц в блоке всегда было четным (или нечетным). Если один бит изменяется во время передачи или хранения, общее количество больше не будет соответствовать указанному правилу, что позволяет системе мгновенно обнаружить сбой.)

Калибровка функции Клиффорда (Метод исправления системных ошибок в квантовых операциях с использованием заранее вычисленной калибровочной функции. Он сравнивает идеальные теоретические значения логических элементов с реальными зашумленными результатами, позволяя «подчистить» данные и значительно повысить точность итоговых расчетов.)

Проверка симметрии (Метод фильтрации ошибок, основанный на проверке того, сохраняются ли во время вычислений фундаментальные физические свойства системы (такие как закон сохранения энергии или спина). Если результат квантовой операции нарушает эти правила симметрии, система распознает событие как сбой и исключает неверные данные из окончательного расчета.)

Это позволило радикально снизить влияние шума и «перекрестных помех» — главного врага масштабируемых систем.

От теории к практике

Чтобы доказать эффективность процессора, исследователи поставили перед ним классическую, но сложную задачу: расчет энергии основного состояния молекулы воды. Используя алгоритм вариационной квантовой эмиссии (VQE), система провела моделирование с точностью, которая, по признанию авторов, «показала замечательное согласие с теоретическими значениями».

Успех эксперимента знаменует собой переход от работы с нестабильными физическими кубитами к полноценному логическому кодированию. В планах команды улучшение технологии размещения донорных атомов в кремнии и расширение массивов до крупных логических сетей.

Поскольку производство таких процессоров в значительной степени совместимо с существующими производственными линиями для обычных чипов, этот успех делает кремний фаворитом в гонке по созданию первого коммерчески используемого квантового компьютера.