Алмазное сердце квантового компьютера: достигнут исторический минимум ошибок

Команда ученых из японской корпорации Fujitsu и нидерландского центра QuTech при Делфтском техническом университете достигла исторического результата в области квантовой информатики. Исследователи создали вычислительную архитектуру на базе алмазных спиновых элементов, которая работает с беспрецедентной точностью – погрешность не превышает 0,1 процента.

Чтобы воплотить амбициозную идею в жизнь, специалисты объединили усилия с компанией Element Six, которая производит искусственные алмазы. Перед инженерами стояла сложная задача – получить материалы с минимальным содержанием изотопа углерода-13, создающего нежелательные помехи и снижающего стабильность системы. На основе полученных кристаллов была разработана и собрана схема из двух базовых элементов, где данные хранятся и обрабатываются с помощью электронного и ядерного спинов.

Технология радикально отличается от предыдущих разработок своим температурным режимом. Традиционные сверхпроводящие схемы могут функционировать только при температурах, близких к абсолютному нулю. Алмазные же элементы уверенно работают при показателях до 10 кельвинов – это в сто раз выше, чем требуется сверхпроводникам. Что это даёт? Множество разнообразных возможностей для практического применения квантовых машин.

Разработанные элементы обладают еще одним важным свойством – они от природы совместимы с фотонами. По оптическим волокнам частицы света могут путешествовать на значительные расстояния, практически не теряя своих свойств из-за минимального взаимодействия с окружающей средой. Достигнув конечной точки, они соприкасаются с кристаллами-приемниками и безошибочно переносят в них квантовые данные. Так появляется возможность соединять территориально разделенные квантовые процессоры в общую вычислительную структуру.

В алмазном кристалле также были обнаружены особые области – цветовые центры, где нарушена правильная кристаллическая решетка. Именно в этих зонах возникают и существуют электронные и ядерные состояния, которые могут сохранять свои квантовые характеристики на протяжении длительного времени. А значит, с их помощью можно создавать надежные вычислительные узлы, способные длительно хранить информацию без искажений.

Чтобы проверить, насколько стабильно работает установка, команда разработала изощренный алгоритм тестирования на основе искусственной последовательности операций. Программа специально составлена так, чтобы задействовать все типы квантовых вентилей в разных комбинациях и проверить их взаимное влияние. За время испытаний машина последовательно выполнила 800 сложных манипуляций со спиновыми состояниями. После каждого “раунда” ученые измеряли конечное состояние системы и сравнивали его с теоретически предсказанным результатом. Точность оставалась неизменной на протяжении всего эксперимента, а отклонения не превышали расчетных значений.

Результаты приборных измерений превзошли самые смелые ожидания. Как уже говорилось в начале, все элементы схемы работают с отклонением менее 0,1%. А некоторые компоненты показали просто феноменальную надежность – всего 0,001%.

Новый подход найдет применение не только в создании мощных вычислительных машин. Его можно будет использовать при разработке высокочувствительных квантовых датчиков, принципиально новых каналов связи с квантовой защитой и сверхнадежных криптографических систем. А то, что такие устройства способны работать при не слишком низких температурах, существенно упрощает задачу встроить их в уже действующие технические комплексы.