Параллельный вентиль ускорил работу с четырьмя кубитами в алмазе

Физики Пенсильванского университета создали запутанное состояние четырёх кубитов в алмазном образце за 14,8 микросекунды. Операция проходила при комнатной температуре и оказалась примерно в десять раз быстрее последовательности двухкубитных операций, с которой её сравнивали. Результат опубликован в Nature Nanotechnology; 1 октября о нём рассказало издание Phys.org.

Основой эксперимента стал азотно-вакансионный центр — дефект кристалла, где атом азота соседствует с пустым местом в углеродной решётке. Электронный спин этого центра служил одним кубитом, а спины трёх близлежащих ядер углерода-13 — ещё тремя. Такой регистр позволяет изучать квантовые операции без охлаждения до температур, необходимых многим другим платформам.

Вместо цепочки — одна операция

Обычно для создания запутанного состояния электрон последовательно связывают с каждым ядерным кубитом. На каждый шаг уходит время, а нежелательные взаимодействия могут снизить точность. В новом опыте исследователи подобрали последовательность управляющих воздействий так, чтобы электрон взаимодействовал с тремя ядрами параллельно.

В результате команда получила четырёхкубитное состояние Гринбергера — Хорна — Цайлингера за одну операцию. Его особенность в том, что состояние всего регистра нельзя описать как набор независимых состояний отдельных кубитов. Для проверки исследователи меняли квантовые фазы и измеряли световое излучение алмазного дефекта.

Сопоставление двух подходов показало:

• длительность параллельной операции составила 14,8 микросекунды;
• ускорение относительно последовательной схемы достигло примерно десятикратного уровня;
• показатель точности четырёхкубитного параллельного вентиля составил 0,92 с указанной авторами погрешностью 0,04, тогда как для последовательного — 0,69 с погрешностью 0,03.

Что ещё предстоит проверить

Более быстрая операция сокращает время, за которое квантовое состояние может нарушиться. Подход потенциально пригодится для квантовых датчиков и небольших регистров, а также для дальнейшей работы над масштабируемыми устройствами. Но опыт охватывал лишь четыре кубита в лабораторной установке. Он не означает, что учёные создали готовый универсальный квантовый компьютер при комнатной температуре.

Читайте также: Серия слабых импульсов позволила точнее управлять квантовыми состояниями.

Следующий вопрос — насколько хорошо параллельное управление сохранит точность при большем числе кубитов и в разных типах твёрдотельных систем. Именно проверка масштабирования покажет практическую ценность метода.