NatPhys: Поиск ошибок в процессоре поможет создать надежный квантовый компьютер

Чтобы достичь выдающихся результатов, квантовые компьютеры должны показать высокую точность запутывания между кубитами.

Учёные выяснили, что квантовые системы, созданные на основе твёрдых материалов, часто ошибаются в своей работе. Это может помешать кубитам слаженно работать и снизит производительность компьютера.

Исследователи из австралийской компании Diraq и Университета Нового Южного Уэльса решили изучить ошибки, которые возникают в процессоре, состоящем из двухкубитных затворов в кремниевых квантовых точках.

Результаты исследования, опубликованные в журнале Nature Physics, дают новое представление о возможностях и проблемах, связанных с расширением масштаба кремниевых спиновых кубитов.

Соавторы работы Эндрю Дзурак и Туомо Тантту напомнили, что кремниевый чип играет ключевую роль в цифровизации нашей повседневной жизни. Без него не было бы ни наших любимых смартфонов, ни компьютеров, которые помогают нам учиться и работать.

Чип также позволяет управлять системами, предоставляющими доступ к информации и обмен данными. Это делает нашу жизнь удобнее, а экономику — эффективнее.

Благодаря столь широкому применению чипа выросла целая индустрия по производству комплементарных металлооксидных полупроводников (CMOS).

Инженеры и квантовые физики объединяют усилия, чтобы создать квантовый компьютер на основе кремния. Почему именно кремний? Всё дело в том, что производство транзисторов на его основе уже хорошо изучено и контролируется.

Diraq — компания, которая стоит во главе такого проекта. Её генеральный директор и основатель, Дзурак, рассказывает о важности современных производственных процессов для создания первого в мире отказоустойчивого квантового компьютера. Идея заключается в разработке и использовании спиновых кубитов из кремния, которые будут совместимы с литейным производством CMOS. Это откроет новые горизонты в области квантовых вычислений.

В последнее время Дзурак, Тантту и их коллеги из Diraq особенно активно изучают передовые методы кодирования кубитов в спиновых носителях, созданных на основе полупроводников. Эти носители можно производить в большом количестве и интегрировать в различные системы. Это открывает новые возможности для развития квантовых технологий и может привести к созданию более мощных и эффективных устройств.

Чтобы проводить квантовые вычисления, нужны кубиты — их нужно когерентно контролировать и соединять друг с другом.

Цель Дзурака — понять, можно ли обеспечить высокоточные (выше 99%) переключения между кубитами на той же кремниевой платформе, которая используется для кремниевых транзисторов. В процессе исследования учёные также хотят выяснить, какие источники шума ухудшают точность запутывающих ворот.

Если получится разобраться в этом вопросе, то можно будет создать более надёжные квантовые компьютеры из широкодоступных материалов.

Учёные применили три диагностических метода, чтобы изучить квантовые состояния и логические затворы в спин-кубитовом устройстве на основе кремния. Это поможет лучше понять принципы работы квантовых компьютеров и усовершенствовать их.

Чтобы провести исследование в области контроля и измерения устойчивой производительности, мы выбрали три надёжных метода. Это Interleaved Randomized Benchmarking (IRB), Gate Set Tomography (GST) и Fast Bayesian Tomography (FBT).

Исследователи применили различные методы диагностики, которые запустили определённые логические процессы в квантовом процессоре. Это позволило им собрать информацию о принципах работы процессора и выявить возможные ошибки.

Подобные инструменты диагностики необходимы для создания надёжных квантовых устройств. Они помогают улучшить качество логических операций, также известных как квантовые логические ворота, — говорит Тантту.

Оба метода томографии позволили получить подробную картину шумовых каналов. Традиционный метод IRB даёт только один показатель верности без дополнительной информации.

Дзурак, Тантту и коллеги предложили перспективный метод извлечения информации из данных, соединённых с помощью IRB. Они повторно проанализировали эти данные, запустив FBT-анализ.

Исследовательская группа провела испытания, которые позволили сделать два важных вывода:

• достигнута высокая операционная верность (больше 99%) для запутывающих ворот в платформе;
• определены источники шума в запутывающих затворах. Это поможет улучшить точность работы ворот.

Мы можем использовать технологию кремниевых транзисторов для создания квантовых компьютеров, — говорит Дзурак.

Команда Diraq работает над улучшением и тестированием спин-кубитового процессора. Они хотят повторить эксперимент не только в лаборатории, но и с использованием спиновых процессоров, созданных на заводе.

Дзурак также отметил, что полезно изучить возможность использования понимания основных ошибок для улучшения точности работы с помощью улучшенных материалов или методов управления.

Поскольку наши операционные характеристики близки к другим твердотельным платформам, мы ожидаем дальнейшего прогресса, например, увеличения количества кубитов в одном чипе.

15.10.2024