Qubiții de spin pe siliciu au fost mult timp suprarealizatorii promițători ai calculului cuantic: pot fi fabricați folosind aceleași metode semiconductoare care produc cipurile de calculator de astăzi, ceea ce este echivalentul tehnologic al a te prezenta la un eveniment formal într-un costum pe care deja îl deții. Problema, desigur, este că atunci când încerci să controlezi mai mulți qubiți simultan, operațiile lor devin mai puțin precise - cam ca mânatul pisicilor, dacă pisicile ar fi subatomice și ar avea tendința de a-și schimba faza în mod neașteptat. Construirea de calculatoare cuantice practice, la scară largă, necesită controlul simultan al multor qubiți menținând erorile la minimum, ceea ce a fost problema de lungă durată a domeniului: „da, dar cum?”.

Cercetătorii de la Centrul RIKEN pentru Știința Materiei Emergente și colaboratorii lor au făcut acum progrese importante în rezolvarea acestei probleme. Într-un studiu publicat în Nature Physics, echipa a demonstrat controlul de înaltă precizie al mai multor qubiți de spin pe siliciu care funcționează simultan. Experimentele lor au folosit o matrice de cinci qubiți conectați la o linie de control cu microunde partajată - pentru că se pare că până și qubiții cuantici apreciază eficiența unei resurse partajate bune. Identificând o cauză majoră a erorilor în timpul operării simultane, oamenii de știință au dezvoltat o tehnică pentru a reduce aceste erori și a menține precizia, demonstrând că poți, de fapt, să-ți ai qubiții și să-i și controlezi.

Leon Camenzind, cercetător științific la RIKEN și co-prim autor care a supervizat experimentele, a explicat semnificația: „Aceasta arată că controlul de înaltă fidelitate poate fi menținut chiar și atunci când mai mulți qubiți sunt operați în același timp și reprezintă un pas important spre scalarea procesoarelor cuantice bazate pe siliciu.” Ceea ce, în limbaj de om de știință, înseamnă „am reușit să-l facem să funcționeze, și asta e o afacere mare.”

Spre deosebire de calculatoarele convenționale, care stochează informația sub formă de biți reprezentând fie 0, fie 1, calculatoarele cuantice folosesc qubiți cuantici, sau qubiți, care pot exista în combinații ale ambelor stări - pentru că de ce să alegi una când poți fi indecis într-un mod fundamental util? Qubiții de spin pe siliciu stochează această informație folosind spinul electronilor individuali confinați în siliciu. Efectuarea de calcule cuantice fiabile necesită un control extrem de precis asupra acestor spini electronici, ceea ce este mai ușor de spus decât de făcut când ai de-a face cu echivalentul cuantic al unei camere pline de copii mici.

Semnalele cu microunde asigură acest control, dar operarea mai multor qubiți simultan poate crea efecte nedorite care le interferează cu precizia. Cercetătorii au identificat o mare parte a acestei probleme într-un fenomen numit deplasarea Stark AC. Acest efect apare atunci când semnalele de control cu microunde modifică nivelurile de energie efective ale unui qubit, producând schimbări în faza stării sale cuantice. Aceste deplasări de fază pot perturba operația intenționată a qubiților individuali, în special când mai mulți sunt controlați simultan - un caz clasic de prea mulți bucătari în bucătăria cuantică.

Pentru a contracara problema, echipa a creat o metodă de calibrare care compensează aceste deplasări nedorite. În loc să calibreze separat fiecare combinație posibilă de qubiți - ceea ce ar fi un coșmar combinatoric - tehnica se bazează pe calibrări efectuate între perechi de qubiți. Acest lucru face abordarea mai practică pentru sistemele care conțin un număr mai mare de qubiți cuantici. „În loc să necesite o procedură de calibrare complet separată pentru fiecare combinație posibilă de qubiți, metoda noastră folosește calibrări între perechi de qubiți pentru a compensa deplasările de fază nedorite”, explică Yi-Hsien Wu, primul autor care a efectuat experimentele ca parte a cercetării sale doctorale. Cu alte cuvinte, au găsit o modalitate de a evita să facă aceeași sarcină tediousă la infinit, ceea ce este o victorie pentru eficiență și pentru sănătatea mentală a lui Wu.

Cercetătorii au combinat tehnica lor de calibrare cu un design îmbunătățit al dispozitivului și cu impulsuri de control cu microunde ajustate cu atenție. Rezultatele lor au arătat că o precizie excepțional de ridicată putea fi menținută chiar și atunci când mai mulți qubiți