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%). Bramka SWAP, złożona z 17 prostszych bramek, wykazała współczynnik dopasowania około 98,7%. Wyniki badania opublikowano w czasopiśmie „Physical Review Applied”.
Dwa problemy, które obecnie spowalniają rozwój komputerów kwantowych, to krótki czas koherencji kubitów (po bardzo krótkim czasie informacja w nich zawarta zaczyna ulegać zniekształceniu) oraz niska precyzja bramek kwantowych – podstawowych elementów algorytmów kwantowych. Na przykład, jeśli bramki mają dokładność 99%, to algorytm składający się z dziesięciu takich bramek zapewni dokładność około 90%. Dla porównania, implementacja odwrotnej kwantowej transformaty Fouriera (składnika algorytmu Shora) dla siedmiu kubitów wymaga 31 operacji kwantowych.
Błędy można zmniejszyć, zwiększając liczbę kubitów i algorytmów korekcyjnych (więcej na ten temat w naszym artykule „Korektor kwantowy”) lub poprawiając precyzję bramek na poziomie fizycznym. Na przykład, w niedawnym badaniu fizycy zademonstrowali bramki dwukubitowe dla centrów NV z 99,92-procentowym współczynnikiem dopasowania, ale metoda zaproponowana przez naukowców dała jedynie górną granicę, a nie najlepszą, ocenę dokładności. Co więcej, naukowcy nie uwzględnili bramek jednokubitowych, których implementacja jest skomplikowana ze względu na oddziaływania elektronowo-jądrowe w wakacie azotowym.
Fizycy z Wielkiej Brytanii i Holandii, pod przewodnictwem Tima 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 współczynnik dopasowania wynoszący około 99,999(1) procent dla wybranych operacji na jednym kubicie i 99,93(5) procent dla operacji na dwóch kubitach.
Aby to zrobić, naukowcy zbadali układ dwukubitowy utworzony ze spinu elektronowego centrum NV i spinu jądrowego azotu w temperaturze czterech kelwinów, uwzględniając otaczające spiny jądrowe węgla jako źródła dodatkowego szumu. Eksperymentatorzy zainicjowali i odczytali spin elektronowy za pomocą rezonansowego wzbudzenia optycznego, podczas gdy przygotowanie i odczyt spinu azotu zostały zrealizowane za pomocą spinu elektronowego, odwzorowując jego stany po inicjalizacji na spin azotu. Następnie naukowcy określili charakterystykę bramek za pomocą tomografii zestawów bramek (GST). Ta metoda polegała na zaimplementowaniu przez fizyków zestawu obwodów kwantowych polegających na przygotowaniu kubitów, ich pomiarze i wprowadzaniu pojedynczych błędów do bramek.
Naukowcy zoptymalizowali stworzony przez siebie zestaw bramek. Kluczowym etapem optymalizacji było opóźnienie międzyimpulsowe, które wyeliminowało interakcje między kubitem elektronowo-spinowym a innymi otaczającymi go spinami. Średnia dokładność bramek dwukubitowych w eksperymentach wyniosła 99,923 ± 0,026%. Następnie fizycy przetestowali system, używając bramki SWAP, zbudowanej z 17 prostszych bramek, a dokładność wyniosła 98,7%.
Autorzy badania zauważyli, że bramka SWAP może zostać wykorzystana do stworzenia pamięci kwantowej opartej na spinie azotu w diamencie. Eksperyment wykazał, że taki kubit zachowywał zapisaną w nim informację kwantową przez 100 sekund.
Wcześniej pisaliśmy o tym, jak fizycy zmienili czas koherencji diamentowego kubitu za pomocą fal akustycznych.
