Fizycy stworzyli i zoptymalizowali zestaw bramek kwantowych o wysokiej precyzji dla kubitów na podstawie defektu punktowego w diamencie. Dokładność operacji na jednym kubicie wynosiła 99,999(1) procent, a operacji na dwóch kubitach 99,93(5) procent. Zawór SWAP, złożony z 17 prostszych, wykazał stopień koincydencji około 98,7 procent. Wyniki badań opublikowano w Physical Review Applied.
Dwa problemy, które dziś spowalniają rozwój komputerów kwantowych: krótki czas koherencji kubitów (po bardzo krótkim czasie informacja w nich zaczyna być zniekształcana) i niska dokładność bramek kwantowych — podstawowych elementów algorytmów kwantowych. Na przykład, jeśli dokładność bramek wynosi 99 procent, to algorytm składający się z dziesięciu takich bramek da stopień koincydencji (wierności) wynoszący około 90 procent. Dla porównania: aby zaimplementować odwrotną kwantową transformację Fouriera (składnik algorytmu Shora) dla siedmiu kubitów, konieczne jest wykonanie 31 operacji kwantowych.
Liczbę błędów można zmniejszyć, zwiększając liczbę kubitów i algorytmów korekcyjnych (więcej o nich w naszym materiale „Korektor kwantowy”) lub zwiększając dokładność bramek na poziomie fizycznym. Przykładowo, w jednej z najnowszych prac fizycy zademonstrowali bramki dwukubitowe dla centrów NV o stopniu koincydencji 99,92 procent, jednak metoda zaproponowana przez naukowców dała tylko górną, a nie najlepszą ocenę dokładności. Jednocześnie badacze nie uwzględnili zaworów jednokubitowych, których wdrożenie jest skomplikowane przez oddziaływanie elektronowo-jądrowe w wakacie azotowym.
Fizycy z Wielkiej Brytanii i Holandii pod kierownictwem Tima Taminiau (Tim Taminiau) z Uniwersytetu Technicznego w Delfcie opracowali zestaw bramek kwantowych o wysokiej precyzji dla kubitów, bazujących na centrum NV w diamencie, i zoptymalizowali je, uzyskując stopień koincydencji dla wybranych operacji na jednym kubicie wynoszący około 99,999(1) procent, a dla operacji na dwóch kubitach — 99,93(5) procent.
Aby to zrobić, naukowcy rozważyli układ dwukubitowy utworzony przez spin elektronowy centrum NV i spin jądrowy azotu w temperaturze czterech kelwinów, biorąc pod uwagę otaczające spiny jądrowe węgla jako źródła dodatkowego szumu. Eksperymentatorzy zainicjowali i odczytali spin elektronowy za pomocą rezonansowego wzbudzenia optycznego, a przygotowanie i odczyt spinu azotu zrealizowano poprzez spin elektronowy, który po inicjalizacji wyświetlał swój stan do spinu azotu. Następnie badacze określili charakterystyki zaworów za pomocą tomografii bramkowej (GST). Istotą tej metody było to, że fizycy wykonali zestaw schematów kwantowych składających się z przygotowania kubitów, ich pomiaru, a także kontrolowanego wprowadzania pojedynczych błędów do bramek.
Naukowcy zoptymalizowali stworzony zestaw bramek — kluczowym krokiem w optymalizacji było opóźnienie międzyimpulsowe, które wyeliminowało interakcję elektronowo-spinowego kubitu z innymi otaczającymi spinami. Średnia wartość dokładności zaworów dwukubitowych według eksperymentów wyniosła 99,923 ± 0,026 procent. Następnie fizycy sprawdzili działanie systemu na zaworze SWAP, który został zbudowany z 17 prostszych zaworów — dokładność wykonania wyniosła 98,7 procent.
Autorzy artykułu zauważyli, że zawór SWAP może być użyty do stworzenia pamięci kwantowej opartej na spinie azotu w diamencie. Eksperyment wykazał, że taki kubit przechowywał zarejestrowane w nim informacje kwantowe przez sto sekund.
Pisaliśmy wcześniej o tym, jak fizycy zmienili czas koherencji diamentowego kubitu za pomocą fal akustycznych.