Кремниевые спиновые кубиты долгое время были многообещающими отличниками квантовых вычислений: их можно производить с помощью тех же полупроводниковых методов, что и современные компьютерные чипы, — это технический эквивалент появления на черно-галстучном мероприятии в костюме, который у вас уже есть. Загвоздка, конечно, в том, что при попытке управлять несколькими кубитами одновременно их операции становятся менее точными — примерно как пасти котов, если бы коты были субатомными и имели склонность неожиданно менять фазу. Построение практичных крупномасштабных квантовых компьютеров требует одновременного управления множеством кубитов при минимизации ошибок, что было давней проблемой области «да, но как?».

Исследователи из Центра передовых материаловедения RIKEN и их коллеги теперь добились важного прогресса в решении этой задачи. В исследовании, опубликованном в Nature Physics, команда продемонстрировала высокоточное управление несколькими кремниевыми спиновыми кубитами, работающими одновременно. В их экспериментах использовался массив из пяти кубитов, подключенных к общей микроволновой линии управления, — потому что, видимо, даже кубиты ценят эффективность хорошего общего ресурса. Выявив основную причину ошибок при одновременной работе, ученые разработали метод снижения этих ошибок и сохранения точности, доказав, что можно и кубитов иметь, и управлять ими.

Леон Каменцинд, научный сотрудник RIKEN и соавтор, руководивший экспериментами, объяснил значимость: «Это показывает, что высокоточное управление можно поддерживать даже при одновременной работе нескольких кубитов, и представляет важный шаг к масштабированию кремниевых квантовых процессоров». Что на языке ученых означает «мы заставили это работать, и это большое дело».

В отличие от обычных компьютеров, которые хранят информацию в виде битов, представляющих либо 0, либо 1, квантовые компьютеры используют квантовые биты, или кубиты, которые могут существовать в комбинациях обоих состояний — потому что зачем выбирать одно, если можно быть нерешительным фундаментально полезным образом? Кремниевые спиновые кубиты хранят эту информацию, используя спин отдельных электронов, удерживаемых в кремнии. Выполнение надежных квантовых вычислений требует чрезвычайно точного контроля над этими электронными спинами, что легче сказать, чем сделать, когда имеешь дело с квантовым эквивалентом комнаты, полной малышей.

Микроволновые сигналы обеспечивают этот контроль, но одновременная работа нескольких кубитов может создавать нежелательные эффекты, мешающие их точности. Исследователи проследили большую часть этой проблемы до явления, называемого сдвигом АС Штарка. Этот эффект возникает, когда микроволновые управляющие сигналы изменяют эффективные энергетические уровни кубита, вызывая изменения фазы его квантового состояния. Эти фазовые сдвиги могут нарушить предполагаемую работу отдельных кубитов, особенно когда одновременно управляют несколькими, — классический случай слишком многих поваров на квантовой кухне.

Чтобы противодействовать проблеме, команда создала метод калибровки, компенсирующий эти нежелательные сдвиги. Вместо отдельной калибровки каждой возможной комбинации кубитов — что было бы комбинаторным кошмаром — метод полагается на калибровки, выполняемые между парами кубитов. Это делает подход более практичным для систем с большим числом квантовых битов. «Вместо того чтобы требовать полностью отдельной процедуры калибровки для каждой возможной комбинации кубитов, наш метод использует калибровки между парами кубитов для компенсации нежелательных фазовых сдвигов», — объясняет И-Сянь У, первый автор, выполнивший эксперименты в рамках своей докторской работы. Иными словами, они нашли способ избежать бесконечного повторения одной и той же утомительной задачи, что является победой для эффективности и для рассудка У.

Исследователи объединили свою технику калибровки с улучшенным дизайном устройства и тщательно настроенными микроволновыми управляющими импульсами. Их результаты показали, что исключительно высокая точность может поддерживаться даже при работе нескольких кубитов.