Твердотельный квантовый компьютер заработал при температуре выше кельвина

Две группы исследователей независимо продемонстрировали кубиты на основе кремниевых квантовых точек, работающие при температуре выше одного кельвина. Одна из групп также реализовала универсальную квантовую логику на своем двухкубитном процессоре. При таких температурах твердотельные квантовые вычисления становятся простыми и, главное, дешевыми. Обе работы опубликованы в журнале Nature: 1, 2.

Квантовые компьютеры способны превзойти свои классические аналоги во многих задачах, от симуляций сложных молекул до разложения больших чисел на простые множители. Однако для решения полезных задач необходимо контролировать миллионы кубитов, что может оказаться серьезной инженерной проблемой. Многообещающие сверхпроводники и квантовые точки работают при температуре десятки милликельвин, а каждый кубит управляется отдельной линией. При увеличении числа кубитов растет и сложность контролирующей системы, которая, в свою очередь, нагревает процессор и разрушает когерентность квантовой системы. К сожалению, современные охлаждающие устройства, криостаты растворения, не способны справится с таким количеством тепла: на температурах порядка милликельвинов охладительная способность криостатов очень низкая.

Одно из возможных решений кроется в увеличении рабочей температуры кубитов до нескольких кельвинов, что позволит использовать чистый гелий, который намного дешевле смеси, используемой в криостатах растворения. Более того, чистый гелий обладает намного более высокой охладительной мощностью.

Две группы физиков под руководством профессора Дзурака (A. S. Dzurak) и профессора Вельдхорста (M. Veldhorst) продемонстрировали кубиты на основе квантовых точек в кремнии, работающие при температуре выше одного кельвина.

Группа профессора Дзурака смогла очень хорошо изолировать свой кубит от внешних шумов, что и позволила поднять рабочую температуру до 1.5 кельвин с небольшими потерями в когерентности. 

В эксперименте физики использовали два кубита в квантовых точках. Один из кубитов использовался для логических операций, а другой применялся для неинвазивного измерения. Оба кубита контролировались микроволновыми полями.

Образец, содержащий кубит в квантовой точке и управляющие линии.

C. H. Yang, et al. / Nature, 2020

Надежность однокубитных операций, котрую ученые промерили с помощью осциляций Раби, составила 99,7 процента, а время когерентности 12 микросекунд при температуре 40 милликельвин. Увеличения температуры до 1,5 кельвин привело к уменьшению надежности до 98,6 процентов, а когерентности до 2 микросекунд.

Время когеретности кубита и надежность однокубитной операции при температуре 40 милликельвин (сверху) и 1.5 кельвина (снизу).

C. H. Yang, et al. / Nature, 2020

Группа профессора Дзурака не исследовала один важный аспект универсальных квантовых вычислений — двухкубитные операции, необходимые для создания квантовой запутанности. Группа профессора Вельдхорста использовала такую же схему с двумя кремниевыми квантовыми точками и смогла реализовать однокубитные, двухкубитные операции и считывание при температуре 1,1 кельвин.

Для начала группа Вельдхорста подтвердила, что их кубиты обладают достаточной когерентностью при температуре 1,1 кельвин, а также изучила надежность однокубитных операций. Физикам удалось достичь времени когерентности в 2 микросекунды и надежности 99,3 процента.

Время когерентности и надежность однокубитной операции для двух кубитов (красный и синий) при температуре 1.1 кельвин.

L. Petit, et al. / Nature, 2020

Затем физики включили обменное взаимодействие между кубитами, которое полностью контролировалось с помощью микроволновых полей. Для оценки надежности двухкубитных операций ученые использовали случайные операторы из алгебры Клиффорда. Средняя надежность двухкубитных операций составила 86,1 процент при температуре 1,1 кельвин. Также физики изучили влияние обменного взаимодействия на когерентность системы при разных температурах. В результате ученые пришли к выводу, что реализованное взаимодействие практически не влияет на время когерентности кубитов.

Надежность двухкубитной операции при темпераутре 1.1 кельвин.

L. Petit, et al. / Nature, 2020

Влияние обменного взаимодействия между кубитами на время когерентности при разных температурах.

L. Petit, et al. / Nature, 2020

Ранее мы писали как физики впервые провели неразрушающее высокодобротное измерение кубита в квантовой точке. Больше про кубиты и квантовые компьютеры чиатйте в нашем материале «Квантовая азбука».

Михаил Перельштейн

Источник: nplus1.ru

Комментарии: