Fizycy stworzyli i zoptymalizowali zestaw precyzyjnych bramek kwantowych dla kubitów, wykorzystując punktowy defekt diamentu. Dokładność operacji na jednym kubicie wyniosła 99,999(1) procent, a operacji na dwóch kubitach 99,93(5) procent. Zawór SWAP, składający się z 17 prostszych zaworów, wykazał stopień koincydencji wynoszący około 98,7 procent. Wyniki badań opublikowano w czasopiśmie Physical Review Applied.
Istnieją dwa problemy, które obecnie spowalniają rozwój komputerów kwantowych: krótki czas koherencji kubitów (po bardzo krótkim czasie informacja w nich zawarta 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 zapewni stopień koincydencji (wierności) wynoszący około 90 procent. Dla porównania: w celu implementacji odwrotnej kwantowej transformacji Fouriera (składnika algorytmu Shora) dla siedmiu kubitów konieczne jest przeprowadzenie 31 operacji kwantowych.
Liczbę błędów można zmniejszyć poprzez zwiększenie liczby kubitów i algorytmów korekcyjnych (więcej o nich w materiale „Korektor kwantowy”) lub poprzez zwiększenie dokładności bramek na poziomie fizycznym. Na przykład w jednym z najnowszych artykułów fizycy zaprezentowali dwukubitowe zawory dla centrów NV o stopniu koincydencji wynoszącym 99,92 procent, jednak metoda zaproponowana przez naukowców dała tylko górną, a nie najlepszą, ocenę dokładności. Jednocześnie badacze nie brali pod uwagę zaworów jednokubitowych, których wdrożenie jest skomplikowane ze względu na 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 wzięli pod uwagę układ dwóch kubitów 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 elektronu za pomocą rezonansowego wzbudzenia optycznego, a przygotowanie i odczyt spinu azotu zrealizowano za pomocą spinu elektronu, który po inicjalizacji wyświetlał swój stan do spinu azotu. Następnie naukowcy określili charakterystykę zaworów za pomocą tomografii bramkowej (GST). Istotą tej metody było wykonanie przez fizyków zestawu schematów kwantowych polegających na przygotowaniu kubitów, ich pomiarze, a także kontrolowanym wprowadzaniu pojedynczych błędów do bramek.
Naukowcy zoptymalizowali stworzony zestaw bramek - kluczowym krokiem optymalizacji było opóźnienie międzyimpulsowe, które eliminowało interakcję kubitu elektronowo-spinowego z innymi otaczającymi spinami. Średnia wartość dokładności zaworów dwukubitowych mierzona eksperymentalnie wyniosła 99,923 ± 0,026 procent. Następnie fizycy sprawdzili działanie układu na zaworze SWAP, który zbudowano z 17 prostszych zaworów — dokładność wykonania wyniosła 98,7 proc.
Autorzy artykułu zauważyli, że zawór SWAP można wykorzystać do stworzenia pamięci kwantowej bazującej na spinie azotu w diamencie. Eksperyment wykazał, że taki kubit przechowywał zapisaną w nim informację kwantową przez sto sekund.
Pisaliśmy wcześniej o tym, jak fizycy zmienili czas koherencji diamentowego kubitu za pomocą fal akustycznych.