Пять атомов в кремнии победили квантовый хаос. Ошибки теперь не приговор — а решаемая задача

Кремний, на котором держится почти вся современная электроника, сделал еще один шаг в сторону квантовых компьютеров. Исследователи впервые показали логический квантовый процессор на кремниевой платформе. Для отрасли это важный рубеж: речь идет уже не просто об отдельных кубитах, а о системе, где квантовая информация кодируется так, чтобы устройство могло отслеживать ошибки и лучше переносить помехи. Именно такой подход считается основой для отказоустойчивых вычислений, без которых полноценные практические квантовые машины вряд ли появятся.

Главная трудность в квантовых вычислениях давно известна. Квантовые состояния очень легко разрушаются под действием внешнего шума, неточностей управления и паразитных взаимодействий между элементами схемы. Из-за этого даже удачно подготовленный кубит может быстро потерять информацию. Чтобы бороться с такой нестабильностью, инженеры и физики используют логическое кодирование: данные не хранят в одном физическом кубите, а распределяют между несколькими. Тогда система получает шанс замечать ошибки и не разваливаться сразу после первых же сбоев.

На других платформах подобные схемы уже показывали. Логические кубиты и операции с ними ранее демонстрировали в сверхпроводниковых системах, на нейтральных атомах, в центрах окраски азот-вакансия в алмазе и в ионных ловушках. Но для кремниевых спиновых кубитов задача оставалась заметно сложнее. У кремния есть сильные стороны: он совместим с привычными технологиями производства микросхем, а спиновые кубиты на его основе могут долго сохранять квантовое состояние. Именно поэтому кремниевую платформу давно считают одним из самых реальных кандидатов на масштабируемый квантовый компьютер. Проблема в том, что по мере роста схемы начинают сильнее мешать скученность частот и перекрестные помехи. Управляющие сигналы все хуже разделяются, а воздействие на один кубит начинает задевать соседние.

Авторы новой работы сумели построить систему, которая обходит часть этих ограничений за счет логического кодирования. В основе процессора лежат пять ядерных спинов фосфора в донорном кластере внутри кремния. Именно они играют роль кубитов. Для работы исследователи использовали код [[4, 2, 2]] - это код обнаружения ошибок, который упаковывает два логических кубита в четыре физических и считается одним из самых экономных вариантов для демонстрации отказоустойчивых принципов. Логические операции в устройстве выполнялись с помощью сочетания ядерного магнитного резонанса и электронного спинового резонанса. В итоге команда получила кремниевую схему, которая умеет обрабатывать квантовую информацию, параллельно проверять ошибки и снижать влияние кросс-помех, одного из главных источников сбоев в квантовых системах.

Проверять платформу на абстрактных тестах исследователи не стали. Вместо этого они выбрали вполне конкретную задачу из квантовой химии: расчет энергии основного состояния молекулы воды. Для такого эксперимента команда запустила алгоритм variational quantum eigensolver, или вариационный квантовый собственный решатель. Его используют, когда нужно приблизительно найти минимальную энергию квантовой системы, например молекулы.

Чтобы поднять точность, исследователи использовали сразу несколько методов подавления ошибок. Первый механизм - проверки четности, которые помогают следить, остается ли информация внутри допустимого кодового пространства. Второй - Clifford fitting, то есть коррекция с помощью заранее откалиброванной функции подгонки. Третий - проверка симметрий, при которой матрицу плотности проецируют в подпространство, соответствующее ограничениям гамильтониана. За сухими терминами скрывается довольно простая идея: команда не полагалась на один защитный прием, а собрала сразу несколько уровней контроля, чтобы уменьшить искажения в ходе вычисления.

Результат оказался убедительным. Авторы пишут, что методы подавления ошибок заметно повысили точность эксперимента, а результаты вариационного алгоритма хорошо совпали с теоретическими значениями для молекулы воды. Для квантовых вычислений это важный момент. Недостаточно просто собрать экзотическое устройство и показать, что оно работает в принципе. Нужно еще доказать, что вычисление дает осмысленный и близкий к правильному результат.

Значение работы выходит далеко за рамки одной демонстрации. Кремний давно привлекает разработчиков тем, что опирается на зрелую полупроводниковую базу, а значит, в будущем его будет проще встраивать в масштабное производство. Если на такой платформе удастся последовательно развивать логические кубиты и отказоустойчивые схемы, у индустрии появится более понятный путь от лабораторных экспериментов к большим квантовым процессорам. Новая работа как раз показывает переход от операций с отдельными физическими кубитами к логическому кодированию в кремнии. Конечно, это не окончательная победа, но уже вполне отчетливый сдвиг в сторону более зрелой архитектуры.

Следующие шаги у команды тоже уже обозначены. Исследователи хотят точнее размещать доноры в кремнии, чтобы еще сильнее уменьшить кросс-помехи и поднять стабильность работы. Дальше планируется переход к большему числу логических кубитов и более крупным массивам донорных кластеров. Авторы также рассчитывают создавать массивы, которые можно будет гибко перенастраивать под разные схемы отказоустойчивого кодирования. В перспективе они планируют использовать особенности системы, уже показанные в этой работе, включая элементы вроде вентилей Тоффоли, сильно смещенный характер шума и логические состояния, закодированные прямо в кластерах доноров.