Физики приблизили кремниевые квантовые процессоры к одной из главных целей отрасли: научились одновременно управлять пятью кубитами, не допустив резкого роста числа ошибок. При параллельной работе точность однокубитных операций удержалась около практического рубежа 99,9%, который часто рассматривают как ориентир для систем с коррекцией квантовых ошибок. Результаты эксперимента опубликованы в Nature Physics.
Команда RIKEN, Национального университета Тайваня, ETH Zurich и Делфтского технического университета использовала пять спиновых кубитов в квантовых точках из изотопно очищенного кремния-28 и кремний-германия. При раздельном управлении точность элементарных операций X и Y превышала 99,99% для каждого кубита, а лучшие результаты приближались к 99,999%. Одновременная работа двух или трех кубитов практически не ухудшала показатели: точность также оставалась выше 99,99%.
Главная проблема появилась при попытке управлять несколькими кубитами через одну общую микроволновую линию. Сигнал, предназначенный для одного элемента массива, немного сдвигал резонансные частоты соседних кубитов из-за переменного эффекта Штарка. Небольшие сдвиги постепенно превращались в фазовые ошибки и снижали точность вычислений. В предыдущих экспериментах на сходных кремниевых устройствах параллельное управление всего двумя кубитами могло уменьшать точность примерно с 99,95% до 99,5%.
Исследователи компенсировали помехи с помощью попарной калибровки фаз. Система измеряет влияние каждого управляемого кубита на соседний, после чего корректирует микроволновые импульсы. Подход не требует отдельно настраивать все возможные комбинации кубитов, поэтому число необходимых калибровок растет значительно медленнее при увеличении массива. Дополнительное подавление перекрестных помех обеспечили специально сформированные импульсы с окном Кайзера.
После калибровки все пять кубитов удалось запускать параллельно через одну линию управления. Четыре кубита превысили точность 99,9%, пятый удержался примерно на уровне 99,9%. Оставшиеся ошибки исследователи связывают главным образом с декогеренцией, возникающей при увеличении мощности микроволнового сигнала. Инженеры считают, что доработка конструкции способна уменьшить влияние данного механизма.
Общая линия управления важна не только ради точности. Если каждому кубиту потребуется отдельная проводка и собственный управляющий канал, сложность квантового чипа быстро станет проблемой при масштабировании. Авторы оценивают, что примененная схема при нынешних ограничениях по мощности может охватить примерно десять кубитов, а несколько подобных блоков в перспективе можно объединять в более крупные массивы.
Работа пока не означает появление готового отказоустойчивого квантового компьютера. Эксперимент в первую очередь демонстрирует высокоточную параллельную работу однокубитных вентилей. Точность использованных в устройстве двухкубитных вентилей CZ оставалась ниже 97% из-за смешивания спиновых и долинных состояний. Для полноценной коррекции ошибок также необходимы надежные двухкубитные операции, подготовка и считывание состояний и сохранение когерентности во время ожидания. Новый результат решает лишь одну из задач масштабирования, но показывает, что кремниевые кубиты можно массово управлять через общие линии без неизбежной потери точности.