Квантовые компьютеры могут однажды превзойти классические машины во многих типах задач, но препятствия всё ещё остаются. Теперь физики в Японии впервые успешно запутали группы из трёх кремниевых квантовых точек – прорыв, который может помочь сделать квантовые компьютеры более практичными.

Квантовые компьютеры обращаются к странному миру квантовой физики, чтобы резко повысить вычислительную мощность и скорость. Информация кодируется в квантовых битах аналогично битам в классических компьютерах, за исключением того, что кубитами можно манипулировать несколькими необычными способами.

Одним из них является квантовая запутанность, которая описывает явление, при котором группы частиц могут быть настолько переплетены, что, если вы проверите свойства одной из них, вы можете не только сделать вывод об этом свойстве её партнёра или партнёров, но и фактически повлиять на него, независимо от того, как они могут быть далеко друг от друга. Сам Эйнштейн был сбит с толку этой идеей, назвав её «spooky action» и первоначально принял её как доказательство того, что модели квантовой механики были неполными.

В контексте квантовых компьютеров запутанные кубиты позволяют передавать данные через них и обрабатывать их намного быстрее, а также улучшают исправление ошибок. В большинстве случаев кубиты запутываются парами, но теперь исследователи из RIKEN в Японии успешно запутали три кремниевых кубита вместе.

Кубиты состоят из небольших кремниевых кругов, называемых квантовыми точками. Они являются одними из ведущих кандидатов на роль кубитов в квантовых компьютерах не только потому, что кремний уже широко используется в электронике, но и потому, что эти квантовые точки стабильны в течение длительных периодов времени, ими можно точно управлять, они работают при более высоких температурах и относительно легко масштабируемы. Запутыавние трёх кремниевых кубитов – важный шаг на пути ко всем этим преимуществам, но до сих пор он оставался недосягаемым, хотя в прошлых исследованиях удалось запутать три фотона вместе.

«Двухкубитовая операция достаточно хороша для выполнения фундаментальных логических вычислений», – говорит Сейго Таруча, ведущий автор исследования. «Но трехкубитная система – это минимальная единица для масштабирования и реализации исправления ошибок».

Новое устройство состоит из трёх квантовых точек, управляемых через алюминиевые гейты. Каждая из квантовых точек содержит один электрон, который представляет двоичную единицу или нуль по своему спиновому состоянию, а именно указывает ли спин вверх или вниз в любой момент времени. Градиент магнитного поля разделяет резонансные частоты кубитов, поэтому их можно вычислять независимо.

Чтобы запутать три кубита вместе, команда начала с запутывания двух из них, используя блок квантовых компьютеров, называемый двухкубитным вентилем, а затем они запутали третий кубит с этим вентилем. Полученный трехкубитовый массив имел высокую точность 88 процентов, что указывает на вероятность того, что кубит будет в «правильном» состоянии при измерении.

Группа считает, что такое устойчивое запутывание будет наиболее полезно для исправления ошибок. В квантовых компьютерах кубиты имеют тенденцию случайным образом менять состояние и терять сохранённую информацию, а способы коррекции, которые хорошо работают на классических компьютерах, не работают в квантовых. Иные конструкции квантовых микросхем используют сетки из девяти кубитов, чтобы следить друг за другом, в то время как в системе исправления ошибок IBM используются незапутанные кубиты, которые проверяют своих запутанных соседей.

«Мы планируем продемонстрировать примитивное исправление ошибок с помощью устройства с тремя кубитами и изготовить устройства с 10 или более кубитами», – говорит Таруча. «Затем мы планируем разработать от 50 до 100 кубитов и внедрить более сложные протоколы исправления ошибок, проложив путь к крупномасштабному квантовому компьютеру в течение десятилетия».