Трехкубитный QEC и трехкубитное устройство на основе кремния.
а. Схема трехкубитного квантового кода исправления ошибок с переворотом фазы. Двухкубитные вентили CNOT запутывают три кубита, затем вентили Адамара (H) поворачивают базис кубита для ошибок фазового переворота. Декодирование является обратным кодированию. Наконец, коррекция выполняется трехкубитным вентилем Тоффоли.
б. Изображение устройства, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа. Масштабная линейка, 100 нм. Экранирующие затворы (коричневые) используются для ограничения электрического поля плунжерных (зеленые) и барьерных (фиолетовые) затворов. Три круга (красный, зеленый и синий) указывают положение массива тройных квантовых точек. Еще одна квантовая точка, показанная серым кружком, используется в качестве датчика заряда. Затворы P1, P2, P3, B2 и B3 подключены к генератору сигналов произвольной формы для подачи быстрых импульсов напряжения. Управляющий СВЧ-импульс для электродипольного спинового резонанса подается на нижний экранирующий затвор.
в, Схематическое сечение устройства. Линия в кремниевой квантовой яме показывает схематический потенциал удержания с тремя точками. J12 (J23) представляет обменную связь ближайшего соседа между Q1 и Q2 (Q2 и Q3).
Кредит:Природа (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-04986-6

Квантовые компьютеры сегодня являются горячей областью исследований, поскольку они обещают сделать возможным решение некоторых важных проблем, неразрешимых с помощью обычных компьютеров. Они используют совершенно другую архитектуру, используя состояния наложения, найденные в квантовой физике, а не простые двоичные биты 1 или 0, используемые в обычных компьютерах. Однако, поскольку они разработаны совершенно по-другому, они очень чувствительны к шуму окружающей среды и другим проблемам, таким как декогеренция, и требуют исправления ошибок, чтобы позволить им выполнять точные вычисления.

Сегодня одной из важных задач является выбор систем, которые лучше всего могут выступать в качестве «кубитов» — основных единиц, используемых для выполнения квантовых вычислений. Различные системы-кандидаты имеют свои сильные и слабые стороны. Некоторые из популярных сегодня систем включают в себя сверхпроводящие схемы и ионы, которые имеют то преимущество, что была продемонстрирована некоторая форма исправления ошибок, что позволяет использовать их на практике, хотя и в небольшом масштабе. Квантовая технология на основе кремния, которая только начала развиваться в последнее десятилетие, как известно, имеет преимущество в том, что она использует полупроводниковую наноструктуру, подобную той, которая обычно используется для интеграции миллиардов транзисторов в небольшой чип, и, следовательно, может использовать современные технологии производства.

Тем не менее, одна из основных проблем технологии на основе кремния заключается в том, что в ней отсутствует технология связи с ошибками. Исследователи ранее продемонстрировали контроль над двумя кубитами, но этого недостаточно для исправления ошибок, для чего требуется система с тремя кубитами.

В текущем исследовании, проведенном исследователями из RIKEN Center for Emergent Matter Science и RIKEN Center for Quantum Computing, группа достигла этого подвига, продемонстрировав полный контроль над системой из трех кубитов (одна из крупнейших систем кубитов в кремнии), таким образом, впервые был получен прототип квантовой коррекции ошибок в кремнии. Они достигли этого, внедрив квантовый вентиль типа Тоффоли с тремя кубитами.

По словам Кенты Такеды, первого автора статьи, «идея реализации квантового кода, исправляющего ошибки, в квантовых точках была предложена около десяти лет назад, так что это не совсем новая концепция, а серия улучшений в материалах, изготовление устройств и методы измерения позволили нам добиться успеха в этом начинании. Мы очень рады, что достигли этого».

По словам Сейго Таруча, руководителя исследовательской группы, их «следующим шагом будет масштабирование системы. Мы думаем, что масштабирование — это следующий шаг. Для этого было бы неплохо работать с группами полупроводниковой промышленности, способными производить кремний» на основе квантовых устройств в больших масштабах».