Ученые совершили крупный прорыв в области квантовых компьютеров

Квантовые компьютеры могут однажды превзойти традиционные машины во многих типах задач, но препятствия остаются. Теперь физики в Японии впервые успешно запутали группы из трех кремниевых квантовых точек - это прорыв, который может помочь сделать квантовые компьютеры более практичными.

Квантовые компьютеры подключаются к странному миру квантовой физики, чтобы резко повысить вычислительную мощность и скорость компьютеров. Информация кодируется в квантовых битах (кубитах) аналогично битам в традиционных компьютерах, за исключением того, что кубитами можно манипулировать несколькими неожиданными способами.

Одним из них является квантовая запутанность, которая описывает явление, при котором группы частиц могут стать настолько переплетенными, что, если вы проверите свойства одной из них, вы можете не только сделать вывод об этом свойстве ее партнера (или партнеров), но и фактически повлиять на него, независимо от того, как они могут быть далеко друг от друга. Сам Эйнштейн был сбит с толку этой идеей, назвав ее "жутким действием на расстоянии" и первоначально принял ее как доказательство того, что модели квантовой механики были неполными.

В контексте квантовых компьютеров запутанные кубиты позволяют передавать данные через них и обрабатывать их намного быстрее, а также улучшают исправление ошибок. В большинстве случаев кубиты запутаны парами, но теперь исследователи из RIKEN в Японии успешно спутали три кремниевых кубита вместе.

В этом случае кубиты состоят из небольших кремниевых кругов, называемых квантовыми точками. Они являются одними из ведущих кандидатов на роль кубитов в квантовых компьютерах не только потому, что кремний уже широко используется в электронике, но и потому, что эти квантовые точки стабильны в течение длительных периодов времени, ими можно точно управлять, они работают при более высоких температурах и могут быть относительно легко масштабируется. Сплетение трех кремниевых кубитов - важный шаг на пути ко всем этим преимуществам, но до сих пор он оставался недосягаемым, хотя в прошлых исследованиях удалось запутать три фотона вместе. «Двухкубитовая операция достаточно хороша для выполнения фундаментальных логических вычислений», - говорит Сейго Таруча, ведущий автор исследования. «Но трехкубитная система - это минимальная единица для масштабирования и реализации исправления ошибок».

Новое устройство состоит из трех квантовых точек, управляемых через алюминиевые ворота. Каждая из квантовых точек содержит один электрон, который представляет двоичную единицу или ноль по своему спиновому состоянию, будь то вверх или вниз в любой момент времени. Градиент магнитного поля разделяет резонансные частоты кубитов, поэтому их можно решать индивидуально.

Чтобы запутать три кубита вместе, команда начала с запутывания двух из них, используя общий блок квантовых компьютеров, называемый двухкубитным вентилем, затем они запутали третий кубит с этим вентилем. Полученный трехкубитовый массив имел высокую точность 88 процентов, что указывает на вероятность того, что кубит будет в «правильном» состоянии при измерении.

Команда считает, что такое устойчивое запутывание будет наиболее полезно для исправления ошибок. В квантовых компьютерах кубиты имеют тенденцию случайным образом менять состояние и терять сохраненную информацию, а методы коррекции, которые хорошо работают на традиционных компьютерах, не работают в квантовых системах. Другие конструкции квантовых микросхем используют сетки из девяти кубитов, чтобы следить друг за другом, в то время как исправление ошибок IBM использует незапутанные кубиты, которые выполняют проверку своих запутанных соседей.

"Мы планируем продемонстрировать примитивное исправление ошибок с помощью устройства с тремя кубитами и изготовить устройства с 10 или более кубитами", - говорит Таруча. "Затем мы планируем разработать от 50 до 100 кубитов и внедрить более сложные протоколы исправления ошибок, проложив путь к крупномасштабному квантовому компьютеру в течение десятилетия".