Кремнієвий прорив: вчені створили перший логічний квантовий процесор на базі звичайних напівпровідників

Поки індустрія квантових обчислень змагається у кількості кубітів, які розпадаються від найменшого подиху вітру, дослідники вирішили згадати про матеріал, який вже пів століття тягне на собі всю земну електроніку. Міжнародна група вчених під керівництвом Чунхуї Чжана (Chunhui Zhang) та Фен Сю (Feng Xu) з Університету штата Аризона та Університету Джонса Гопкінса (Johns Hopkins University) презентувала перший у світі логічний квантовий процесор на основі кремнію.

Це не просто черговий лабораторний експеримент, а спроба приборкати квантовий хаос за допомогою технологій, які ми вже вміємо масштабувати. Кремній обрали не випадково: він має тривалий час когерентності спінових кубітів та цілком сумісний із наявними виробничими процесами. Проблема лише в тому, що досі нікому не вдавалося змусити його виконувати універсальні логічні операції в межах стійких до помилок обчислень (FTQC).

Магія п'яти ядер та код [4, 2, 2]

Фізики використали п'ять ядерних спінів фосфору, розміщених у кремнієвому донорному кластері. Щоб система не перетворилася на генератор випадкових помилок, застосували квантовий код [[4, 2, 2]]. Його суть у тому, що чотири фізичні кубіти об’єднуються для формування двох логічних. Це дозволяє суттєво економити апаратні ресурси, не втрачаючи при цьому в надійності. Якщо один із фізичних елементів «схибить», логічний рівень дозволить виправити ситуацію без втрати даних.

Для керування процесом використовували ядерний магнітний резонанс та електронний спіновий резонанс. Такий тандем дозволив підвищити точність маніпуляцій та, що найважливіше, знизити рівень перехресних перешкод. Останні зазвичай є головним болем для розробників квантових систем, оскільки шум від одного кубіта часто заважає сусідам.

Квантова вода та перевірка на міцність

Щоб довести, що пристрій справді працює, а не просто гарно виглядає на папері в журналі Nature Nanotechnology, команда запустила на ньому варіаційний квантовий алгоритм VQE. Завдання було цілком практичним: розрахувати енергію основного стану молекули води. Це класичний тест для перевірки потужності квантових систем у хімічному моделюванні.

Під час розрахунків використовували три методи виправлення помилок:

• Перевірка паритету;
• Симметрична верифікація;
• Метод логічних вентилів Кліффорда (two-qubit Clifford logical gates).

Результати виявилися напрочуд точними та повністю збіглися з теоретичними очікуваннями. Це підтверджує, що обраний шлях — використання донорних кластерів у кремнії — є цілком життєздатним для створення великих квантових комп'ютерів у майбутньому.

Наступні кроки вчених виглядають логічно: оптимізація розташування донорів, подальше придушення шумів та збільшення кількості логічних кубітів. Якщо вдасться створити масиви таких кластерів, ми нарешті отримаємо архітектуру, яку можна гнучко адаптувати під різні обчислювальні задачі, не будуючи при цьому «інноваційний» холодильник розміром із будинок.

Поки фізики приборкують спіни атомів, нейробіологи теж не пасуть задніх, намагаючись зрозуміти, як працюють складні мережі в біологічних системах. Наприклад, нещодавно стало відомо про те, як вчені навчилися «хакати» зв’язки в мозку приматів, що теж є свого роду програмуванням, хоч і зовсім іншого рівня.