Учёные из QuTech (Делфтский технический университет) совместно с Fujitsu и Element Six представили универсальный набор квантовых вентилей с вероятностью ошибки ниже 0,1%, преодолев ключевой порог для масштабируемых квантовых вычислений. Результаты демонстрируют новый уровень контроля над кубитами на основе спиновых состояний в алмазе — одной из наиболее перспективных платформ для создания квантовых процессоров.
Квантовые компьютеры оперируют логическими вентилями, последовательность которых формирует вычислительный процесс. Для реализации алгоритмов, превосходящих классические системы, вероятность ошибки на каждый вентиль должна быть ниже диапазона 0,1%–1%. Только в этом случае коррекция ошибок сможет компенсировать шумы, обеспечив надёжность вычислений. Достижение командой QuTech уровня ошибок до 0,001% для отдельных вентилей открывает путь к созданию более сложных систем.
Источник: QuTech
В основе разработки — алмазные кубиты, использующие электронный и ядерный спины азото-замещённых вакансий в кристаллической решётке. Такие кубиты отличаются высокой стабильностью: они сохраняют когерентность при температурах до 10 К и слабо взаимодействуют с окружающей средой. Кроме того, их связь с фотонами позволяет интегрировать их в квантовые сети. Однако до сих пор создание полного набора точных вентилей оставалось проблемой из-за внешних шумов и сложности управления спиновыми состояниями.
Группа учёных преодолела эти ограничения, реализовав двухкубитную систему с рекордными параметрами. Электронный спин NV-центра использовался в качестве первого кубита, ядерный спин атома азота — второго. Для подавления ошибок команда применила алмазы с пониженной концентрацией углерода-13 (менее 0,01%), чьи ядра создают магнитные помехи. Затем учёные разработали импульсные последовательности, изолирующие кубиты друг от друга и от остаточного шума.
«Ключевым было не только снижение внешних помех, но и точная настройка параметров управления», — пояснил руководитель эксперимента Ханс Бартлинг.
Для анализа ошибок использовалась «томография наборов вентилей» (gate set tomography) — метод, восстанавливающий полное квантовое описание операций. Это позволило выявить даже малейшие отклонения и оптимизировать параметры вентилей. В тестах система продемонстрировала предсказуемость: после 800 последовательных операций результат совпал с моделью, построенной на основе характеристик отдельных вентилей.
Несмотря на успех, масштабирование технологии потребует решения новых задач. Эксперимент — доказательство концепции для двух кубитов. Для создания процессоров с тысячами кубитов необходимо интегрировать управляющую электронику, оптику и развивать архитектуры, устойчивые к ошибкам. В сотрудничестве с Fujitsu QuTech изучает методы массового производства алмазных чипов и проектирование гибридных систем, сочетающих разные типы кубитов.
Прорыв в QuTech приближает эру практических квантовых вычислений, но путь к коммерческим системам остаётся долгим. Следующие этапы включают не только увеличение числа кубитов, но и создание полного «стэка» технологий. Это потребует консолидации усилий академических групп и индустрии, чтобы превратить лабораторные эксперименты в работающую вычислительную инфраструктуру.
