Krzemowe kubity spinowe od dawna są obiecującymi prymusami obliczeń kwantowych: można je wytwarzać tymi samymi metodami półprzewodnikowymi, które produkują dzisiejsze chipy komputerowe, co jest technologicznym odpowiednikiem przyjścia na galę w garniturze, który już się ma. Haczyk polega oczywiście na tym, że gdy próbuje się kontrolować wiele kubitów naraz, ich operacje stają się mniej dokładne – trochę jak zapędzanie kotów, gdyby koty były subatomowe i miały skłonność do nieoczekiwanych przesunięć fazowych. Budowa praktycznych, wielkoskalowych komputerów kwantowych wymaga jednoczesnej kontroli wielu kubitów przy minimalizacji błędów, co od dawna jest problemem „tak, ale jak?” w tej dziedzinie.

Badacze z RIKEN Center for Emergent Matter Science i ich współpracownicy poczynili teraz ważny postęp w rozwiązaniu tego problemu. W badaniu opublikowanym w Nature Physics zespół zademonstrował bardzo dokładną kontrolę kilku jednocześnie działających krzemowych kubitów spinowych. W eksperymentach użyto macierzy pięciu kubitów podłączonych do wspólnej linii sterowania mikrofalowego – bo najwyraźniej nawet kubity kwantowe doceniają wydajność dobrego współdzielonego zasobu. Identyfikując główną przyczynę błędów podczas jednoczesnej pracy, naukowcy opracowali technikę redukcji tych błędów i utrzymania precyzji, dowodząc, że można mieć i kubity, i je kontrolować.

Leon Camenzind, badacz z RIKEN i współpierwszy autor, który nadzorował eksperymenty, wyjaśnił znaczenie odkrycia: „To pokazuje, że wysoką wierność kontroli można utrzymać nawet przy jednoczesnej pracy kilku kubitów i stanowi ważny krok w kierunku skalowania krzemowych procesorów kwantowych”. Co w języku naukowców oznacza „udało nam się to zrobić i to wielka sprawa”.

W przeciwieństwie do konwencjonalnych komputerów, które przechowują informacje jako bity reprezentujące 0 lub 1, komputery kwantowe używają kubitów kwantowych, które mogą istnieć w kombinacjach obu stanów – bo po co wybierać jeden, skoro można być niezdecydowanym w fundamentalnie użyteczny sposób? Krzemowe kubity spinowe przechowują tę informację za pomocą spinu pojedynczych elektronów uwięzionych w krzemie. Wykonywanie niezawodnych obliczeń kwantowych wymaga niezwykle precyzyjnej kontroli tych spinów elektronowych, co łatwiej powiedzieć niż zrobić, gdy ma się do czynienia z kwantowym odpowiednikiem pokoju pełnego maluchów.

Sygnały mikrofalowe zapewniają tę kontrolę, ale jednoczesna praca wielu kubitów może tworzyć niepożądane efekty zakłócające ich dokładność. Badacze prześledzili większość tego problemu do zjawiska zwanego przesunięciem Starka AC. Efekt ten występuje, gdy sygnały sterowania mikrofalowego zmieniają efektywne poziomy energii kubitu, powodując zmiany fazy jego stanu kwantowego. Te przesunięcia fazowe mogą zakłócać zamierzoną operację poszczególnych kubitów, szczególnie gdy kontroluje się kilka naraz – klasyczny przypadek zbyt wielu kucharzy w kwantowej kuchni.

Aby przeciwdziałać problemowi, zespół stworzył metodę kalibracji kompensującą te niepożądane przesunięcia. Zamiast osobno kalibrować każdą możliwą kombinację kubitów – co byłoby kombinatorycznym koszmarem – technika opiera się na kalibracjach przeprowadzanych między parami kubitów. Dzięki temu podejście jest bardziej praktyczne dla systemów zawierających większą liczbę kubitów kwantowych. „Zamiast wymagać całkowicie osobnej procedury kalibracji dla każdej możliwej kombinacji kubitów, nasza metoda wykorzystuje kalibracje między parami kubitów do kompensacji niepożądanych przesunięć fazowych” – wyjaśnia Yi-Hsien Wu, pierwszy autor, który przeprowadził eksperymenty w ramach badań doktoranckich. Innymi słowy, znaleźli sposób na uniknięcie wykonywania tego samego żmudnego zadania w nieskończoność, co jest zwycięstwem wydajności i zdrowia psychicznego Wu.

Badacze połączyli swoją technikę kalibracji z ulepszoną konstrukcją urządzenia i starannie dostrojonymi impulsami sterowania mikrofalowego. Ich wyniki pokazały, że wyjątkowo wysoką dokładność można utrzymać nawet przy wielu kubitach