Fujitsu i QuTech osiągnęły pierwsze na świecie prawdopodobieństwo błędu poniżej 0,1% w kompletnym, uniwersalnym zestawie bramek kwantowych dla diamentowych kubitów spinowych, przekraczając próg kwantowej korekcji błędów. Jest to ważny krok w kierunku odpornych na błędy obliczeń kwantowych i praktycznego zastosowania komputerów kwantowych.
Nowa technologia – opracowana przez Fujitsu we współpracy z QuTech, wiodącym instytutem badawczym technologii kwantowej Uniwersytetu Technologicznego w Delft (TU Delft) – wykorzystuje diamenty o wysokiej czystości do stworzenia stabilnego układu dwóch kubitów, składającego się ze spinu elektronowego i spinu jądrowego azotu w centrum pustki azotowej (NV) – rodzaju defektu atomowego, który można wykorzystać do obliczeń kwantowych.
Zespół badaczy wykorzystał zaawansowane techniki, aby wyeliminować wpływ szumów środowiskowych na kubity i zmierzyć wydajność bramek kwantowych, osiągając ponad 99,9% wierności zarówno dla bramek jedno-, jak i dwukubitowych w uniwersalnym zestawie bramek. Przekracza to próg wymagany do kwantowej korekcji błędów.
Wyniki tego badania zostały opublikowane w Physical Review Applied 21 marca 2025 roku.
Technologia diamentowych kubitów spinowych
Wykorzystuje spiny (elektronowe i jądrowe) utworzone przez centra kolorów – specyficzne defekty – w kryształach diamentu jako kubity. Spiny diamentowe mogą utrzymywać stany kwantowe przez stosunkowo długi czas, co czyni je obiecującymi jako wysokowydajne kubity. Co więcej, ich temperatura pracy jest około 100 razy wyższa niż w przypadku kubitów nadprzewodzących, co ułatwia pracę z nimi.
Zdolność diamentowych kubitów spinowych do przesyłania stanów kwantowych za pomocą fotonów (podstawowych cząstek światła) pozwala również na optyczne połączenia międzysystemowe, zapewniając obiecującą ścieżkę w kierunku skalowalnych komputerów kwantowych i rozproszonych obliczeń za pośrednictwem sieci kwantowych.
Jak poinformowano, kubity stworzono przy użyciu centrów NV w diamentach opracowanych wspólnie przez Element Six i TU Delft. Było to możliwe dzięki niskiemu stężeniu izotopu węgla-13 w diamentach (0,01% w porównaniu z 1%). Pozwoliło to na usunięcie szumów środowiskowych, tworząc stabilny układ dwóch kubitów, z których jeden jest utworzony przez spin elektronowy centrum defektu, a drugi przez jego spin jądrowy.
Plany na przyszłość
W przyszłości Fujitsu i QuTech skoncentrują się na zastosowaniu nowo opracowanej technologii w systemach z większą liczbą spinów jądrowych oraz opracowaniu technologii połączeń optycznych o wysokiej precyzji między odległymi kubitami spinów elektronowych w celu zwiększenia liczby możliwych do opanowania kubitów. Ponadto zespół ma przyspieszyć prace badawczo-rozwojowe zmierzające do realizacji skalowalnego systemu komputerowego kwantowego, w tym technologii integracyjnych z obwodami sterującymi wykorzystującymi niskotemperaturowe układy scalone półprzewodnikowe krio-CMOS (5).
„Chociaż przed nami długa i trudna droga, fakt, że wykazaliśmy wierność bramek powyżej 99,9%, spełnia jeden z kluczowych wymogów skalowalnych obliczeń kwantowych” – podsumował profesor Tim Taminiau z Uniwersytetu Technologicznego w Delfcie.
