Диамантеното сърце на квантовия компютър: Достигнат е историческият минимум грешки

Екип от учени от японската корпорация Fujitsu и холандския център QuTech към Техническия университет в Делфт постигнаха исторически резултат в областта на квантовата информатика.

Изследователите са създали изчислителна архитектура, базирана на диамантени спинови елементи, която работи с безпрецедентна точност – грешката не надвишава 0,1%.

За да осъществят амбициозната идея, специалистите обединиха усилията си с Element Six – компания, която произвежда изкуствени диаманти. Инженерите се изправили пред трудна задача – да получат материали с минимално съдържание на изотопа въглерод-13, който създава нежелани смущения и намалява стабилността на системата. Въз основа на получените кристали е разработена и сглобена схема от два основни елемента, в която се съхраняват и обработват данни с помощта на електронните и ядрените спинове.

Технологията коренно се различава от предишни разработки по температурното си поведение. Традиционните свръхпроводими схеми могат да функционират само при температури, близки до абсолютната нула. Диамантените елементи работят уверено при температури до 10 Келвина – 100 пъти по-високи, отколкото са необходими на свръхпроводниците.

Какво предлага това? Много различни възможности за практическо приложение на квантовите машини.

Разработените елементи имат още едно важно свойство – те са естествено съвместими с фотоните. Чрез оптичните влакна светлинните частици могат да изминат значителни разстояния без да загубят свойствата си поради минималното взаимодействие с околната среда. След като достигнат крайната точка, те влизат в контакт с кристалите на приемника и им предават квантови данни без никакви грешки. По този начин става възможно да се свържат географски разделени квантови процесори в обща изчислителна структура.

В кристала на диаманта са открити и специални области (цветни центрове) в които е нарушена правилната кристална решетка. Именно в тези области възникват и съществуват електронни и ядрени състояния, които могат да запазят квантовите си характеристики за дълго време. Това означава, че те могат да се използват за създаване на надеждни изчислителни възли, които могат да съхраняват информация дълго време, без да се изкривяват.

За да провери доколко стабилна е инсталацията, екипът разработва сложен алгоритъм за тестване, основан на изкуствена последователност от операции. Програмата е специално разработена така, че да използва всички видове квантови врати в различни комбинации и да проверява взаимното им влияние. По време на тестовете машината последователно извърши 800 сложни манипулации със спинови състояния. След всеки „рунд“ учените измервали крайното състояние на системата и го сравнявали с теоретично предсказания резултат. Точността останала постоянна по време на целия експеримент, а отклоненията не превишавали изчислените стойности.

Резултатите от инструменталните измервания надхвърлиха и най-смелите очаквания. Както бе споменато в началото, всички елементи на схемата работиха с отклонение по-малко от 0,1%, а някои компоненти показаха направо феноменална надеждност – с отклонение от само 0,001%.

Новият подход ще намери приложение не само при създаването на мощни изчислителни машини. Той може да се използва при разработването на високочувствителни квантови сензори, принципно нови комуникационни канали с квантова защита и свръхсигурни криптографски системи, а фактът, че такива устройства могат да работят при не много ниски температури значително опростява задачата за вграждането им в съществуващите технически комплекси.