Фізики створили та оптимізували набір високоточних квантових вентилів для кубитів на основі точкового дефекту в алмазі. Точність однокубітних операцій становила 99,999(1) відсотка, а двокубітних - 99,93(5) відсотка. Вентиль SWAP, складений з 17 простіших, показав ступінь збігу близько 98,7 відсотка. Результати дослідження опубліковані у Physical Review Applied.
Дві проблеми, які сьогодні уповільнюють розвиток квантових обчислювачів: малий час когерентності кубитів (через дуже короткий час інформація в них спотворюється) і низька точність квантових вентилів — складових блоків квантових алгоритмів. Наприклад, якщо точність вентилів становить 99 відсотків, то алгоритм, який складається з десяти таких вентилів, на виході дасть ступінь збігу (fidelity) приблизно 90 відсотків. Для порівняння: щоб реалізувати обернене квантове перетворення Фур'є (складова частина алгоритму Шора) для семи кубитів, потрібно виконати 31 квантову операцію.
Зменшити кількість помилок можна за допомогою збільшення числа кубитів та алгоритмів корекції (докладніше про них у нашому матеріалі «Квантовий коректор») або підвищення точності вентилів на фізичному рівні. Наприклад, в одній із останніх робіт фізики продемонстрували двокубітні вентилі для NV-центрів зі ступенем збігу 99,92 відсотка, проте запропонований вченими метод дав лише верхню, а не найкращу оцінку точності. При цьому дослідники не розглянули однокубітні вентилі, реалізацію яких ускладнює електронно-ядерну взаємодію азотної вакансії.
Фізики з Великобританії та Нідерландів під керівництвом Тіма Таміньяу (Tim Taminiau) з Делфтського технічного університету розробили набір високоточних квантових вентилів для кубітів на основі NV-центру в алмазі і оптимізували його, отримавши ступінь збігу для обраних однокубітних операцій близько 99,9 99,93 (5) відсотка.
Для цього вчені розглянули двокубітну систему, утворену електронним спином NV-центру та ядерним спином азоту, при температурі чотири кельвини, врахувавши навколишні ядерні спини вуглецю як джерела додаткового шуму. Експериментатори ініціалізували та вважали спин електрона за допомогою резонансного оптичного збудження, а приготування та зчитування спина азоту реалізували через електронний спин, відобразивши його стан після ініціалізації на спин азоту. Потім дослідники визначили характеристики вентилів за допомогою томографії набору гейтів (Gate Set Tomography, GST). Суть цього методу полягала в тому, що фізики виконали набір квантових схем, що складаються з підготовки кубітів, їх виміру, а також керованого впровадження окремих помилок у вентилі.
Вчені оптимізували створений набір гейтів - ключовим кроком в оптимізації стала міжімпульсна затримка, яка усунула взаємодію електрон-спінового кубіту з іншими спинами. Середнє значення точності двокубітних вентилів за експериментами становило 99,923±0,026 відсотка. Після цього фізики перевірили роботу системи на вентилі SWAP, який сконструювали з 17 простіших вентилів — точність виконання становила 98,7 відсотка.
Автори роботи наголосили, що вентиль SWAP можна використовувати для створення квантової пам'яті на основі азотного спину в алмазі. Експеримент показав, що такий кубіт зберіг записану квантову інформацію протягом ста секунд.
Про те, як фізики змінили час когерентності алмазного кубіту за допомогою акустичних хвиль, ми писали раніше.