Квантовые компьютеры сталкиваются с противоречием: чем быстрее выполняются операции с кубитами, тем труднее бывает сохранить их точность. Особенно остро эта проблема проявляется в полупроводниковых устройствах, где состоянием отдельного электрона управляют электрическими сигналами. Исследователи из Университета Осаки предложили неожиданно простое на первый взгляд решение — добавить к системе ещё одну квантовую точку. Эксперимент показал, что такой подход позволяет ослабить зависимость между скоростью управления и чувствительностью к электрическим помехам.
Квантовая точка представляет собой крошечную область полупроводника, в которой электрон удерживается электрическим потенциалом. Из-за чрезвычайно малых размеров такой области энергетические состояния электрона становятся дискретными, подобно уровням энергии в атоме. Поэтому квантовые точки иногда называют искусственными атомами. Их преимущество заключается в возможности создавать и настраивать отдельные квантовые элементы с помощью технологий микроэлектроники.
В спиновых кубитах информация кодируется в спине электрона — его внутреннем квантовом свойстве, связанном с магнитным моментом. Условно два состояния спина можно обозначить как ноль и единицу, хотя кубит способен находиться и в их суперпозиции. Для выполнения вычислений необходимо быстро и точно изменять состояние спина. Однако непосредственное электрическое управление таким квантовым свойством представляет непростую задачу.
Один из способов решения — так называемый кубит в режиме переворота, или flopping-mode qubit. В обычной конструкции используются две квантовые точки, между которыми электрон может перераспределяться под действием электрического поля. Его пространственное движение связывается со спиновым состоянием, благодаря чему переменное электрическое напряжение позволяет управлять спином. Такая схема обеспечивает быстрые операции, но одновременно делает систему чувствительной к колебаниям электрического потенциала.
Проблема заключается в том, что полезный управляющий сигнал и нежелательные электрические помехи воздействуют на одни и те же свойства устройства. Если усилить взаимодействие электрона с электрическим полем, скорость управления возрастает. Но вместе с этим случайные изменения напряжения способны сильнее влиять на частоту кубита и нарушать его квантовую фазу. Поэтому разработчикам приходится искать компромисс между быстродействием и устойчивостью.
Японские исследователи изменили саму архитектуру устройства, добавив третью, вспомогательную квантовую точку. Её энергетическое положение можно независимо регулировать электрическим напряжением. Дополнительная точка меняет распределение электронных орбитальных состояний и характер их взаимодействия. Такой подход авторы называют инженерией орбитальных зон — целенаправленной настройкой энергетической структуры электронов.
Представьте музыкальный инструмент, у которого раньше имелись только две взаимосвязанные регулировки: увеличение громкости неизбежно ухудшало чистоту звучания. Добавление третьего независимого регулятора позволило бы настраивать эти характеристики более гибко. В квантовом устройстве дополнительная точка играет похожую роль, хотя физически речь идёт об изменении энергетических уровней и чувствительности спина к электрическим полям.
Главным результатом стало появление более широкой области рабочих параметров, в которой кубит сохранял сильную связь с управляющим сигналом, но слабее реагировал на небольшие изменения напряжения. Это особенно важно для практических процессоров, поскольку изготовленные квантовые точки никогда не бывают совершенно одинаковыми. Возможность компенсировать различия после производства облегчает настройку устройств и потенциально повышает воспроизводимость их характеристик.
Эксперимент проводился с квантовыми точками на основе арсенида галлия, или GaAs. В таких структурах заметную роль играет магнитный шум, связанный в том числе с ядерными спинами атомов материала. Поэтому быстрое выполнение операций помогает уменьшить время воздействия помех на квантовое состояние. Однако электрический способ ускорения управления создаёт дополнительную чувствительность к шуму напряжения, которую и стремились снизить исследователи.
Новая конструкция позволила получить частоты управления выше 100 мегагерц, а при определённых настройках — 271 ± 20 мегагерц. Это означает возможность чрезвычайно быстрых изменений состояния кубита. Однако высокая частота сама по себе ещё не гарантирует точного вычисления. Даже небольшие отклонения управляющего сигнала способны накапливать ошибки при выполнении длинных последовательностей квантовых операций.
Поэтому исследователи дополнили аппаратную конструкцию системой обратной связи на основе машинного обучения. Она отслеживала медленные изменения частоты кубита и корректировала параметры управления. В результате оценочное время дефазировки увеличилось примерно с 52 до 580 наносекунд. Дефазировка означает постепенную потерю согласованности относительных фаз квантового состояния, из-за которой снижается точность операций.
Качество управления проверяли методом рандомизированного бенчмаркинга. В этом испытании кубит выполняет специальные последовательности операций, позволяющие статистически оценить среднюю вероятность ошибок. Для операции длительностью четыре наносекунды точность с обратной связью составила 99,56%. После дополнительной оптимизации формы управляющего импульса показатель достиг 99,72%.
Разница между этими значениями кажется небольшой, но для квантовых вычислений даже доли процента имеют значение. При выполнении множества последовательных операций ошибки могут накапливаться, поэтому повышение точности каждого элементарного действия особенно важно. Вместе с тем результат 99,72% не означает, что создан полноценный отказоустойчивый квантовый процессор. Для практической коррекции ошибок необходимо учитывать также считывание, взаимодействия между кубитами и работу многокубитных логических элементов.
Исследование демонстрирует принцип, который может оказаться полезным при масштабировании полупроводниковых квантовых компьютеров. Дополнительная квантовая точка создаёт возможность более гибко управлять энергетической структурой уже изготовленного устройства, а автоматическая обратная связь помогает компенсировать медленные изменения его характеристик. Авторы предполагают, что аналогичный подход можно будет применить к кубитам на основе кремния и германия, но это ещё предстоит проверить экспериментально. Главный результат заключается не просто в увеличении скорости, а в появлении дополнительного инструмента для независимой настройки быстродействия и устойчивости квантовых операций.
А затем «Добавить на главный экран».
