Характеристика корреляции ошибок кубитов в кремниевом массиве кубитов.
Кредит: Йонеда и др.

«Полезный квантовый компьютер практически потребует миллионов плотно упакованных, хорошо контролируемых кубитов с ошибками, не только небольшими, но и достаточно некоррелированными», — сказал Phys.org Джун Йонеда, один из исследователей, проводивших исследование. «Мы намеревались решить потенциально серьезную проблему корреляции ошибок в кремниевых кубитах, поскольку в противном случае они стали привлекательной платформой для больших квантовых вычислений».

Изготовление высокопроизводительных квантовых процессоров на основе множества близко расположенных кремниевых кубитов до сих пор оказалось сложной задачей. Эти системы будут демонстрировать шум, который коррелирует между различными кубитами. Это снижает отказоустойчивость устройств, увеличивает частоту ошибок и, таким образом, ухудшает их производительность.

В рамках своего недавнего исследования Йонеда и его коллеги намеревались изучить степень корреляции межкубитного шума в надежде дать информацию для будущего развития систем квантовых вычислений на основе полупроводников. Для этого они проанализировали и попытались количественно оценить корреляцию между шумом, наблюдаемым двумя кремниевыми кубитами, расположенными на расстоянии 100 нм друг от друга.

Измерена корреляция шума в паре кремниевых кубитов. Точки показывают силу корреляции (амплитуда нормализованной спектральной плотности перекрестной мощности) энергий кубитов, а цвет представляет фазу корреляции.
Кредит: Йонеда и др.

«Ошибки в кремниевых спиновых кубитах обусловлены флуктуациями энергии кубита, то есть разницей энергий между состояниями со спином вверх и вниз», — объяснил Йонеда. «Мы измерили одновременную эволюцию энергий кубитов во времени и оценили «степень сходства» между двумя временными трассами с помощью величины, называемой перекрестной спектральной плотностью мощности».

Впоследствии исследователи использовали метод байесовской оценки, который они разработали в рамках своей предыдущей исследовательской работы и который предназначен для получения вероятностных распределений перекрестных спектральных плотностей мощности. Этот метод позволил им проверить статистическую значимость наблюдаемых ими корреляций, подтвердив, что два кубита подвержены сильно коррелированному шуму.

«Мы наблюдали сильную шумовую корреляцию между кремниевыми кубитами — с силой корреляции до 0,7 на некоторых частотах», — сказал Йонеда. «Подобные корреляции из-за электрического шума вряд ли быстро затухнут с расстоянием, поэтому теперь мы четко понимаем, что к корреляции ошибок необходимо серьезно относиться в плотных массивах кубитов в кремнии. Мы также показали, что корреляционный анализ шума дает новое понимание источника кубитный шум».

Статистические методы, используемые этой командой исследователей, являются уникальными и мощными, поскольку, в отличие от традиционных подходов, они не требуют предварительного знания автоспектра (например, 1/f) для оценки и количественного определения кубитного шума. В целом, результаты этой недавней работы подтверждают проблемы, связанные с корреляцией шума между близко расположенными кремниевыми кубитами, подчеркивая необходимость разработки новых подходов к подавлению или смягчению шума в квантовых компьютерах на основе полупроводников.

«Наши будущие исследования будут включать в себя изучение того, как далеко простирается корреляция в массиве кубитов, используя методы включения кросс-корреляций в анализ шума, которые мы впервые применили здесь экспериментально», — добавил Йонеда. «Это критический вопрос, касающийся отказоустойчивости, а также понимания источника шума».