Trojité zapletení do křemíku znamená velký průlom v kvantovém počítači

Kvantové počítače by jednoho dne mohly překonat tradiční stroje v mnoha typech úkolů, ale překážky zůstávají. Nyní fyzici v Japonsku poprvé úspěšně propletli skupiny tří křemíkových kvantových teček, což je průlom, který by mohl pomoci učinit kvantové počítače praktičtějšími.

Kvantové počítače pronikají do podivného světa kvantové fyziky, aby drasticky zvýšily výpočetní výkon a rychlost počítačů. Informace jsou kódovány v kvantových bitech (qubitech) podobným způsobem jako bity v tradičních počítačích, kromě toho, že s qubity lze manipulovat několika neočekávanými způsoby.

Jedním z nich je kvantové provázání, které popisuje jev, kdy se skupiny částic mohou tak propojit, že pokud zkontrolujete vlastnosti jedné, můžete nejen odvodit vlastnosti jejího partnera (nebo partnerů), ale skutečně ji ovlivnit, bez ohledu na to, jak mohou být daleko od sebe. Sám Einstein byl touto myšlenkou zmaten, označoval ji jako „strašidelnou akci na dálku“ a původně ji bral jako důkaz, že modely kvantové mechaniky jsou neúplné.

V kontextu kvantových počítačů umožňuje zapletení qubitů, aby se přes ně přenášela a zpracovávala data mnohem rychleji, a zlepšuje opravu chyb. Většinu času jsou qubity zapletené do párů, ale nyní výzkumníci z RIKEN v Japonsku úspěšně propletli tři křemíkové qubity dohromady.

V tomto případě jsou qubity vyrobeny z malých kruhů křemíku nazývaných kvantové tečky. Jsou jedním z předních kandidátů na qubity v kvantových počítačích, nejen proto, že křemík je již široce používán v elektronice, ale protože tyto kvantové tečky jsou stabilní po dlouhou dobu, lze je přesně ovládat, pracovat při vyšších teplotách a mohou být škálovatelné poměrně snadno. Zapletení tří křemíkových qubitů je důležitým krokem ke všem těmto výhodám, ale dosud zůstávalo mimo dosah, ačkoliv minulé studie dokázaly zamotat tři fotony dohromady.

„Dvouqubitový provoz je dostatečně dobrý k provádění základních logických výpočtů,“ říká Seigo Tarucha, hlavní autor studie. „Ale tříqubitový systém je minimální jednotka pro škálování a implementaci opravy chyb.“

Nové zařízení se skládá ze tří kvantových teček, ovládaných hliníkovými branami. Každá z kvantových teček obsahuje jeden elektron, který představuje binární jedničku nebo nulu prostřednictvím svého spinového stavu, ať už je v daném okamžiku nahoru nebo dolů. Gradient magnetického pole udržuje rezonanční frekvence qubitů oddělené, takže je lze řešit individuálně.

Aby se tři qubity propletly dohromady, tým začal propletením dvou z nich pomocí společné jednotky kvantových počítačů zvaných dvouqubitová brána a poté propletl třetí qubit touto bránou. Výsledné pole tří qubitů mělo vysokou věrnost 88 procent, což naznačuje pravděpodobnost, že by qubit byl při měření ve „správném“ stavu.

Toto robustní zapletení by bylo nejužitečnější pro opravu chyb, říká tým. V kvantových počítačích mají qubity tendenci náhodně překlápět stavy a ztrácet uložené informace a korekční metody, které fungují dobře na tradičních počítačích, nefungují na kvantových systémech. Jiné návrhy kvantových čipů používají mřížky o devíti qubitech, aby se navzájem sledovaly, zatímco oprava chyb IBM používá nezapletené qubity, které provádějí kontroly na jejich zapletených sousedech.

„Plánujeme demonstrovat primitivní korekci chyb pomocí tříqubitového zařízení a vyrobit zařízení s 10 nebo více qubity,“ říká Tarucha. „Pak plánujeme vyvinout 50 až 100 qubitů a implementovat důmyslnější protokoly pro opravu chyb, čímž během deseti let připravíme cestu k rozsáhlému kvantovému počítači.“

Výzkum byl publikován v časopise Příroda Nanotechnologie.

Zdroj: RIKEN