Отказоустойчивая память квантового компьютера в алмазе
Квантовые вычисления потенциально могут стать революционной технологией будущего в самых разных областях: от химии и криптографии до финансов и фармацевтики. Ученые предполагают, что по сравнению с обычными компьютерами квантовые компьютеры могут работать во много тысяч раз быстрее. Чтобы использовать эту силу, ученые сегодня ищут способы создания квантовых компьютерных сетей. Важную роль в этих сетях будет играть отказоустойчивая квантовая память, хорошо реагирующая на аппаратные или программные сбои. Исследовательская группа из Йокогамского национального университета изучает квантовую память, устойчивую к ошибкам в работе или окружающей среде. Исследовательская группа сообщила о своих выводах 27 апреля 2022 года в журнале Communications Physics.
Центр вакансий азота (NV) в алмазе служит квантовой памятью, которая закодирована с коррекцией ошибок для автоматического исправления ошибок. Предоставлено: Йокогамский национальный университет.
Чтобы квантовые компьютеры полностью реализовали свой потенциал, ученым необходимо иметь возможность создавать квантовые сети . В этих сетях необходима отказоустойчивая квантовая память. Когда ученые манипулируют спиновой квантовой памятью, требуется магнитное поле . Магнитное поле препятствует интеграции со сверхпроводящими квантовыми битами или кубитами. Кубиты в квантовых вычислениях — это основные единицы информации, подобные двоичным цифрам или битам в обычных компьютерах.
Чтобы масштабировать квантовый компьютер на основе сверхпроводящих кубитов, ученым необходимо работать в условиях нулевого магнитного поля. В своем стремлении продвинуть технологию к отказоустойчивому квантовому компьютеру исследовательская группа изучила центры азотных вакансий в алмазе. Азотно-вакансионные центры перспективны для целого ряда приложений, включая квантовые вычисления. Используя алмазный азотно-вакансионный центр с двумя ядерными спинами окружающих изотопов углерода, команда продемонстрировала квантовую коррекцию ошибок в квантовой памяти. Они протестировали трехкубитную квантовую коррекцию ошибок как против ошибки переворота бита, так и против ошибки переворота фазы в условиях нулевого магнитного поля. Ошибки переворота бита или переворота фазы могут возникать при изменении магнитного поля. Чтобы получить нулевое магнитное поле, команда использовала трехмерную катушку, чтобы нейтрализовать остаточное магнитное поле, включая геомагнитное поле. Эта квантовая память закодирована с исправлением ошибок для автоматического исправления ошибок по мере их возникновения.
Предыдущие исследования продемонстрировали квантовую коррекцию ошибок, но все они проводились в относительно сильных магнитных полях . Исследовательская группа Йокогамского национального университета впервые продемонстрировала квантовую работу электронных и ядерных спинов в отсутствие магнитного поля.
« Квантовая коррекция ошибок делает квантовую память устойчивой к операционным ошибкам или ошибкам окружающей среды без необходимости в магнитных полях и открывает путь к распределенным квантовым вычислениям и квантовому Интернету с квантовыми интерфейсами на основе памяти или квантовыми ретрансляторами», — сказал Хидео Косака, профессор. Университет Йокогамы и ведущий автор исследования.
Демонстрация команды может быть применена к созданию крупномасштабного распределенного квантового компьютера и сети квантовой связи дальнего действия путем соединения квантовых систем, уязвимых для магнитного поля, таких как сверхпроводящие кубиты со спиновой квантовой памятью. Забегая вперед, исследовательская группа планирует сделать шаг вперед в этой технологии. «Мы хотим разработать квантовый интерфейс между сверхпроводящими и фотонными кубитами, чтобы реализовать отказоустойчивый крупномасштабный квантовый компьютер», — сказал Косака.
