Кремниевый прорыв: ученые создали первый логический квантовый процессор на базе обычных полупроводников

Схема логического квантового процессора в кремнии. Источник: AI

Пока индустрия квантовых вычислений соревнуется в количестве кубитов, которые распадаются от малейшего дуновения ветра, исследователи решили вспомнить о материале, который уже полвека держит на себе всю земную электронику. Международная группа ученых под руководством Чуньхуя Чжана (Chunhui Zhang) и Фэн Сю (Feng Xu) из Университета штата Аризона и Университета Джонса Хопкинса (Johns Hopkins University) представила первый в мире логический квантовый процессор на основе кремния.

Это не просто очередной лабораторный эксперимент, а попытка обуздать квантовый хаос при помощи технологий, которые мы уже умеем масштабировать. Кремний выбран не случайно: он обладает длительным временем когерентности спиновых кубитов и полностью совместим с существующими производственными процессами. Проблема лишь в том, что до сих пор никому не удавалось заставить его выполнять универсальные логические операции в рамках стойких к ошибкам вычислений (FTQC).

Магия пяти ядер и код [4, 2, 2]

Физики использовали пять ядерных спинов фосфора, размещенных в кремниевом донорном кластере. Чтобы система не превратилась в генератор случайных ошибок, применили квантовый код [[4, 2, 2]]. Его суть в том, что четыре физических кубита объединяются для формирования двух логических. Это позволяет существенно экономить аппаратные ресурсы, не теряя при этом в надежности. Если один из физических элементов "даёт сбой", логический уровень позволит исправить ситуацию без потери данных.

Для управления процессом использовали ядерный магнитный резонанс и электронный спиновый резонанс. Такой тандем позволил повысить точность манипуляций и, что самое важное, снизить уровень перекрестных помех. Последние обычно являются головной болью для разработчиков квантовых систем, поскольку шум от одного кубита часто мешает соседям.

Квантовая вода и проверка на прочность

Чтобы доказать, что устройство действительно работает, а не просто хорошо выглядит на бумаге в журнале Nature Nanotechnology, команда запустила на нем вариационный квантовый алгоритм VQE. Задача была вполне практичной: рассчитать энергию основного состояния молекулы воды. Это классический тест для проверки мощности квантовых систем в химическом моделировании.

Во время расчетов использовали три метода исправления ошибок:

• Проверка паритета;
• Симметричная верификация;
• Метод логических вентилей Клиффорда (two-qubit Clifford logical gates).

Результаты оказались на удивление точными и полностью совпали с теоретическими ожиданиями. Это подтверждает, что выбранный путь — использование донорных кластеров в кремнии — является вполне жизнеспособным для создания больших квантовых компьютеров в будущем.

Следующие шаги ученых выглядят логично: оптимизация расположения доноров, дальнейшее подавление шумов и увеличение количества логических кубитов. Если удастся создать массивы таких кластеров, мы наконец получим архитектуру, которую можно гибко адаптировать под различные вычислительные задачи, не сооружая при этом "инновационный" холодильник размером с дом.

Пока физики обуздывают спины атомов, нейробиологи тоже не отстают, пытаясь понять, как работают сложные сети в биологических системах. Например, недавно стало известно о том, как ученые научились "хакать" связи в мозге приматов, что тоже является своего рода программированием, хоть и совершенно другого уровня.