Fujitsu Limited ogłosiło dziś pierwszą na świecie demonstrację kompletnego uniwersalnego zestawu bramek kwantowych dla diamentowych spinowych kubitów z prawdopodobieństwem błędu poniżej 0,1%, osiągając wierność jedną z najwyższych zgłoszonych we wszystkich technologiach sprzętu kwantowego. Ta współpraca z QuTech, wiodącym instytutem badawczym technologii kwantowych Uniwersytetu Technicznego w Delfcie (TU Delft), oznacza ważny krok dla metody spinu diamentowego w kierunku przeprowadzania kwantowej korekcji błędów i realizacji praktycznych obliczeń kwantowych. Wyniki opublikowano w Physical Review Applied 21 marca 2025 r.
Nowo opracowana technologia wykorzystuje diamenty o wysokiej czystości do stworzenia stabilnego układu dwóch kubitów składającego się ze spinu elektronowego i spinu jądrowego azotu w centrum azotowo-wakacyjnym (NV), rodzaju defektu atomowego, który można wykorzystać do obliczeń kwantowych. Zespół wykorzystał zaawansowane techniki, aby wyeliminować wpływ szumu środowiskowego 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 korekcji błędów kwantowych.
W przyszłości Fujitsu i QuTech będą kontynuować współpracę, zwiększając liczbę używanych kubitów i opracowując optyczne układy scalone kwantowe i obwody sterujące, aby przyspieszyć badania w kierunku wczesnych praktycznych zastosowań komputerów kwantowych ze spinem diamentowym.
Pokonywanie wyzwań w obliczeniach kwantowych za pomocą kubitów spinowych diamentowych
Technologia spinu diamentowego wykorzystuje spiny (spiny elektronowe i jądrowe) utworzone przez centra kolorów — specyficzne defekty — w kryształach diamentu jako kubity. Spiny diamentowe mogą utrzymywać stany kwantowe przez stosunkowo długie okresy czasu, co czyni je obiecującymi kubity o wysokiej wydajności. Ponadto ich temperatura robocza jest około 100 razy wyższa niż kubitów nadprzewodzących, co ułatwia pracę z nimi. Zdolność kubitów spinowych diamentowych do przesyłania stanów kwantowych za pomocą fotonów (podstawowych cząstek światła) umożliwia również połączenia optyczne, zapewniając obiecującą ścieżkę do skalowalnych komputerów kwantowych i rozproszonego przetwarzania za pośrednictwem sieci kwantowych.
Przegląd technologii
Zmniejszony szum środowiskowy przy użyciu diamentów o wysokiej czystości.
Qubity zostały utworzone 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% zmniejszone z 1%). Usunęło to szum środowiskowy, tworząc stabilny system dwóch kubitów, z których jeden został utworzony przez spin elektronowy centrum defektu, a drugi przez spin jądrowy.
Bramki odsprzęgające zaprojektowane w celu łagodzenia szumu środowiskowego
Bramki odsprzęgające to sekwencje kontrolowanych impulsów zaprojektowane w celu usuwania wpływu szumu środowiskowego na kubity i rozszerzenia ich zdolności do przechowywania informacji kwantowych.
Zastosowanie tomografii bramkowej
Zespół zastosował tomografię bramkową – technikę o wysokiej precyzji do pomiaru wydajności kubitów i bramek kwantowych – do kubitów spinowych diamentu, aby zoptymalizować działanie bramek kwantowych. Dostarczyło to kompletnych informacji o błędach bramek, umożliwiając optymalizację wszystkich parametrów działania bramek kwantowych, w tym siły impulsu bramki.
Plany na przyszłość
W przyszłości Fujitsu i QuTech skoncentrują się na zastosowaniu nowo opracowanej technologii w systemach z większą liczbą spinów jądrowych i opracowaniu technologii dla wysoce precyzyjnych połączeń optycznych między odległymi kubitami spinów elektronowych w celu zwiększenia liczby możliwych do opanowania kubitów. Ponadto zespół przyspieszy prace badawczo-rozwojowe w kierunku realizacji skalowalnego systemu komputerowego kwantowego, w tym technologii integracyjnych z obwodami sterującymi wykorzystującymi niskotemperaturowe układy scalone półprzewodnikowe krio-CMOS.
Profesor Tim Taminiau z Uniwersytetu Technicznego w Delfcie komentuje:
Choć przed nami jeszcze długa i trudna droga, fakt, że wykazaliśmy dokładność bramek na poziomie ponad 99,9%, spełnia jeden z kluczowych wymogów skalowalnych obliczeń kwantowych.
Shintaro Sato, starszy wiceprezes i szef laboratorium kwantowego w Fujitsu Research, Fujitsu Limited, komentuje: – Ten wynik pokazuje znaczący potencjał technologii spinu diamentowego w realizacji praktycznego komputera kwantowego. Fujitsu zamierza teraz opracować prototyp komputera kwantowego spinu diamentowego, kontynuując prace nad realizacją praktycznego komputera kwantowego.