Исследователи из QuTech в сотрудничестве с Fujitsu и Element Six достигли значительного прорыва в области квантовых вычислений, продемонстрировав квантовые логические операции (гейты) с вероятностью ошибки ниже 0,1%. Результаты исследования, опубликованные в журнале Physical Review Applied 21 марта 2025 года, знаменуют первый случай достижения этого порога с использованием спиновых кубитов на основе алмаза.
Достижение показателя ошибок ниже 0,1-1% имеет решающее значение для работы квантовой коррекции ошибок — фундаментального требования для создания масштабируемых квантовых компьютеров. В разработанной двухкубитной системе каждый гейт функционирует с уровнем ошибки ниже 0,1%, а лучшие гейты достигли впечатляющего показателя — всего 0,001% ошибок.
«Это достижение открывает путь к практическому применению квантовой коррекции ошибок в системах на основе алмаза», — отмечает Ханс Бартлинг, ведущий автор исследования. «Впервые мы смогли продемонстрировать, что спиновые кубиты в алмазе могут достичь уровня точности, необходимого для масштабируемых квантовых вычислений».
Техническая реализация проекта основана на квантовом чипе из алмаза с двумя кубитами. Первый кубит сформирован электронным спином дефектного центра, а второй — ядерным спином. Важной особенностью системы является её способность работать при относительно высоких температурах — до 10 Кельвинов, что значительно упрощает техническую реализацию по сравнению с другими квантовыми платформами, требующими сверхнизких температур.
Для достижения столь низких показателей ошибок исследователи применили комплексный подход. Они использовали сверхчистые алмазы с пониженной концентрацией изотопа углерод-13, что уменьшило уровень шума. Были разработаны специальные гейты, которые разделяют спиновые кубиты друг от друга и от шума окружающей среды. Команда применила метод «томографии набора гейтов» для характеристики гейтов и оптимизации параметров. Достоверность результатов была подтверждена алгоритмом, выполняющим 800 операций с гейтами.
«Наше исследование демонстрирует, что спиновые кубиты в алмазе обладают уникальными преимуществами для квантовых вычислений», — комментирует Дживон Юн, соавтор работы. «Они хорошо защищены от шума и имеют естественную связь с фотонами, что открывает возможности для распределенных вычислений через квантовые сети».
Тим Таминиау, руководитель исследования, подчеркивает: «Хотя мы достигли важной вехи, впереди еще много задач. Нам предстоит сохранить качество гейтов при масштабировании до многих кубитов, перейти к интегрированной оптике и электронике на уровне чипа, разработать масштабируемые методы производства и создать новые архитектуры квантовых компьютеров».
Преимущества спиновых кубитов на основе алмаза выходят за рамки просто низкого уровня ошибок. Их способность работать при относительно высоких температурах значительно упрощает техническую реализацию квантовых компьютеров. Кроме того, естественная связь с фотонами делает их идеальными кандидатами для создания квантовых сетей, что открывает путь к распределенным квантовым вычислениям.
Это достижение, реализованное совместными усилиями QuTech (междисциплинарного исследовательского института квантовых технологий Делфтского технического университета), Fujitsu и Element Six, представляет собой значительный шаг на пути к практическим квантовым вычислениям и демонстрирует потенциал алмазных платформ для будущего квантовых технологий.
Изображение носит иллюстративный характер
Достижение показателя ошибок ниже 0,1-1% имеет решающее значение для работы квантовой коррекции ошибок — фундаментального требования для создания масштабируемых квантовых компьютеров. В разработанной двухкубитной системе каждый гейт функционирует с уровнем ошибки ниже 0,1%, а лучшие гейты достигли впечатляющего показателя — всего 0,001% ошибок.
«Это достижение открывает путь к практическому применению квантовой коррекции ошибок в системах на основе алмаза», — отмечает Ханс Бартлинг, ведущий автор исследования. «Впервые мы смогли продемонстрировать, что спиновые кубиты в алмазе могут достичь уровня точности, необходимого для масштабируемых квантовых вычислений».
Техническая реализация проекта основана на квантовом чипе из алмаза с двумя кубитами. Первый кубит сформирован электронным спином дефектного центра, а второй — ядерным спином. Важной особенностью системы является её способность работать при относительно высоких температурах — до 10 Кельвинов, что значительно упрощает техническую реализацию по сравнению с другими квантовыми платформами, требующими сверхнизких температур.
Для достижения столь низких показателей ошибок исследователи применили комплексный подход. Они использовали сверхчистые алмазы с пониженной концентрацией изотопа углерод-13, что уменьшило уровень шума. Были разработаны специальные гейты, которые разделяют спиновые кубиты друг от друга и от шума окружающей среды. Команда применила метод «томографии набора гейтов» для характеристики гейтов и оптимизации параметров. Достоверность результатов была подтверждена алгоритмом, выполняющим 800 операций с гейтами.
«Наше исследование демонстрирует, что спиновые кубиты в алмазе обладают уникальными преимуществами для квантовых вычислений», — комментирует Дживон Юн, соавтор работы. «Они хорошо защищены от шума и имеют естественную связь с фотонами, что открывает возможности для распределенных вычислений через квантовые сети».
Тим Таминиау, руководитель исследования, подчеркивает: «Хотя мы достигли важной вехи, впереди еще много задач. Нам предстоит сохранить качество гейтов при масштабировании до многих кубитов, перейти к интегрированной оптике и электронике на уровне чипа, разработать масштабируемые методы производства и создать новые архитектуры квантовых компьютеров».
Преимущества спиновых кубитов на основе алмаза выходят за рамки просто низкого уровня ошибок. Их способность работать при относительно высоких температурах значительно упрощает техническую реализацию квантовых компьютеров. Кроме того, естественная связь с фотонами делает их идеальными кандидатами для создания квантовых сетей, что открывает путь к распределенным квантовым вычислениям.
Это достижение, реализованное совместными усилиями QuTech (междисциплинарного исследовательского института квантовых технологий Делфтского технического университета), Fujitsu и Element Six, представляет собой значительный шаг на пути к практическим квантовым вычислениям и демонстрирует потенциал алмазных платформ для будущего квантовых технологий.
