Fizycy stworzyli i zoptymalizowali zestaw bramek kwantowych o wysokiej precyzji dla kubitów, opartych na defektach punktowych diamentu. Dokładność operacji na jednym kubicie wyniosła 99,999(1)%, a na dwóch kubitach 99,93(5). Zawór SWAP, złożony z 17 prostszych, wykazał stopień koincydencji około 98,7%. Wyniki badań opublikowano w czasopiśmie „Physical Review Applied”.
Dwa problemy, które obecnie spowalniają rozwój komputerów kwantowych: krótki czas koherencji kubitów (po bardzo krótkim czasie informacja w nich zawarta zaczyna ulegać zniekształceniu) oraz niska dokładność bramek kwantowych – podstawowych elementów algorytmów kwantowych. Na przykład, jeśli dokładność bramek wynosi 99 procent, to algorytm składający się z dziesięciu takich bramek zapewni stopień koincydencji (wierności) około 90 procent. Dla porównania: aby zaimplementować odwrotną kwantową transformatę Fouriera (składnik algorytmu Shora) dla siedmiu kubitów, konieczne jest wykonanie 31 operacji kwantowych.
Liczbę błędów można zmniejszyć poprzez zwiększenie liczby kubitów i algorytmów korekcyjnych (więcej o nich w naszym materiale „Korektor kwantowy”) lub poprzez zwiększenie dokładności bramek na poziomie fizycznym. Przykładowo, w jednej z najnowszych publikacji fizycy zademonstrowali bramki dwukubitowe dla centrów NV o stopniu koincydencji 99,92%, jednak metoda zaproponowana przez naukowców dała jedynie górną, a nie najlepszą, ocenę dokładności. Jednocześnie badacze nie uwzględnili zaworów jednokubitowych, których wdrożenie jest utrudnione przez oddziaływanie elektron-jądro w wakancie 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 optymalizacji było opóźnienie międzyimpulsowe, które wyeliminowało interakcję kubitu elektronowo-spinowego z otaczającymi go spinami. Średnia wartość dokładności zaworów dwukubitowych, według eksperymentów, wyniosła 99,923 ± 0,026%. Następnie fizycy sprawdzili działanie układu na zaworze SWAP, który został zbudowany z 17 prostszych zaworów – dokładność wykonania wyniosła 98,7%.
Autorzy artykułu zauważyli, że zawór SWAP można wykorzystać do stworzenia pamięci kwantowej opartej na spinie azotu w diamencie. Eksperyment wykazał, że taki kubit przechowywał zapisaną w nim informację kwantową przez sto sekund.
Wcześniej pisaliśmy o tym, jak fizycy zmienili czas koherencji diamentowego kubitu za pomocą fal akustycznych.
