Одним из препятствий для прогресса в поисках рабочего квантового компьютера было то, что рабочие устройства, которые входят в квантовый компьютер и выполняют фактические вычисления, кубиты, до сих пор производились университетами и в небольшом количестве. Но в последние годы общеевропейское сотрудничество в партнерстве с французским лидером в области микроэлектроники CEA-Leti изучает повседневные транзисторы, которые присутствуют в миллиардах во всех наших мобильных телефонах, для их использования в качестве кубитов. Французская компания Leti производит гигантские пластины, заполненные устройствами, и после измерений исследователи из Института Нильса Бора при Университете Копенгагена обнаружили, что эти промышленно производимые устройства подходят в качестве кубитовой платформы, способной перемещаться во второе измерение, что является важным показателем и еще одним шагом к рабочему квантовому компьютеру.
Квантовые точки в двумерном массиве — это шаг вперед
Одной из ключевых особенностей устройств является двумерный массив квантовых точек. Точнее, решетка квантовых точек два на два. «Мы показали, что мы можем реализовать управление одним электроном в каждой из этих квантовых точек. Это очень важно для разработки кубита. Поэтому достижение этой цели — управление отдельными электронами и выполнение этого в виде двумерного массива квантовых точек было для нас очень важно», — говорит Фабио Ансалони, бывший аспирант, ныне постдоктор центра Quantum Devices, NBI.
Использование электронных спинов оказалось полезным для реализации кубитов. Фактически, их «тихий» характер делает спины слабо взаимодействующими с шумной средой, что является важным требованием для получения высокопроизводительных кубитов.
Было доказано, что расширение процессоров квантовых компьютеров до второго измерения имеет важное значение для более эффективной реализации подпрограмм квантовой коррекции ошибок. Квантовая коррекция ошибок позволит будущим квантовым компьютерам быть устойчивыми к сбоям отдельных кубитов во время вычислений.
Важность производства в промышленных масштабах
Доцент Центра квантовых устройств, NBI, Анасуа Чаттерджи добавляет: «Первоначальная идея заключалась в том, чтобы создать массив спиновых кубитов, перейти к отдельным электронам и получить возможность управлять ими и перемещать их. В этом смысле это действительно здорово. что Лети смог доставить образцы, которые мы использовали, что, в свою очередь, позволило нам достичь этого результата. Большая заслуга общеевропейского проектного консорциума и щедрое финансирование со стороны ЕС, помогающее нам медленно двигаться от уровня одной квантовой точки с одним электроном до двух электронов, а теперь переходим к двумерным массивам. Двумерные массивы — действительно большая цель, потому что это начинает выглядеть как нечто, что вам абсолютно необходимо для создания квантовых массивов. Итак, Лети на протяжении многих лет участвовал в ряде проектов, которые все способствовали этому результату».
Заслуга за то, что удалось так далеко продвинуться, принадлежит многим проектам по всей Европе.
Развитие было постепенным. В 2015 году исследователям в Гренобле удалось создать первый спиновый кубит, но он был основан на дырках, а не на электронах. В то время производительность устройств, изготовленных в «дырочном режиме», не была оптимальной, и технология продвинулась так, что устройства, которые сейчас в NBI, могут иметь двумерные массивы в одноэлектронном режиме. Исследователи объясняют, что прогресс трехкратный: «Во-первых, производство устройств в промышленном литейном цехе является необходимостью. Масштабируемость современного промышленного процесса имеет важное значение, поскольку мы начинаем создавать массивы большего размера, например, для небольших квантовых симуляторов.
Во-вторых, при создании квантового компьютера вам нужен массив в двух измерениях, и вам нужен способ подключения внешнего мира к каждому кубиту. Если у вас есть 4-5 соединений для каждого кубита, вы быстро получаете нереальное количество проводов, выходящих из низкотемпературной установки. Но что нам удалось показать, так это то, что у нас может быть один вентиль на электрон, и вы можете читать и управлять с помощью одного и того же вентиля. И, наконец, с помощью этих инструментов мы смогли контролируемым образом перемещать и менять местами отдельные электроны вокруг массива, что само по себе является проблемой».
Двумерные массивы могут контролировать ошибки
Управление ошибками, возникающими в устройствах, — это отдельная глава. Компьютеры, которые мы используем сегодня, производят множество ошибок, но они исправляются с помощью так называемого кода повторения. В обычном компьютере вы можете иметь информацию как в 0, так и в 1. Чтобы быть уверенным, что результат вычисления верен, компьютер повторяет вычисление, и если один транзистор делает ошибку, она исправляется простым большинством. Если большинство вычислений, выполненных на других транзисторах, указывают на 1, а не на 0, то в качестве результата выбирается 1. Это невозможно в квантовом компьютере, поскольку вы не можете сделать точную копию кубита, поэтому квантовая коррекция ошибок работает по-другому: современные физические кубиты еще не имеют низкого уровня ошибок, но если их достаточно объединены в 2D массив, они могут держать друг друга под контролем, так сказать. Это еще одно преимущество реализованного сейчас 2D массива.
Следующий шаг от этого рубежа
Результат, реализованный в Институте Нильса Бора, показывает, что теперь можно управлять отдельными электронами и проводить эксперимент в отсутствие магнитного поля. Итак, следующим шагом будет поиск спинов — спиновых сигнатур — в присутствии магнитного поля. Это будет необходимо для реализации шлюзов с одним и двумя кубитами между отдельными кубитами в массиве. Теория показала, что для универсальных квантовых вычислений достаточно нескольких вентилей с одним и двумя кубитами, называемых полным набором квантовых вентилей.
