Схема логического квантового процессора в кремнии. Источник: AI
Пока индустрия квантовых вычислений соревнуется в количестве кубитов, распадающихся от малейшего дуновения ветра, исследователи решили вспомнить о материале, который уже полвека тянет на себе всю земную электронику. Международная группа ученых под руководством Чунхуи Чжана (Chunhui Zhang) и Фэн Сю (Feng Xu) из Университета штата Аризона и Университета Джонса Хопкинса (Johns Hopkins University) представила первый в мире логический квантовый процессор на основе кремния.
Это не просто очередной лабораторный эксперимент, а попытка обуздать квантовый хаос с помощью технологий, которые мы уже умеем масштабировать. Кремний был выбран не случайно: он имеет длительное время когерентности спиновых кубитов и полностью совместим с имеющимися производственными процессами. Проблема лишь в том, что до сих пор никому не удавалось заставить его выполнять универсальные логические операции в рамках устойчивых к ошибкам вычислений (FTQC).
Магия пяти ядер и код (4, 2, 2)
Физики использовали пять ядерных спинов фосфора, размещенных в донорном кремниевом кластере. Чтобы система не превратилась в генератор случайных ошибок, применили квантовый код ((4, 2, 2)). Его суть в том, что четыре физических кубита объединяются для формирования двух логических. Это позволяет существенно экономить аппаратные ресурсы, не теряя при этом надежности. Если один из физических элементов «ошибится», логический уровень позволит исправить ситуацию без потери данных.
Для управления процессом использовался ядерный магнитный резонанс и электронный спиновой резонанс. Такой тандем позволил повысить точность манипуляций и, что самое важное, снизить уровень перекрестных помех. Последние обычно являются головными болями для разработчиков квантовых систем, поскольку шум от одного кубита часто мешает соседям.
Квантовая вода и проверка на прочность
Чтобы доказать, что устройство действительно работает, а не просто выглядит на бумаге в журнале Nature Nanotechnology, команда запустила на нем вариационный квантовый алгоритм VQE. Задача была вполне практичной: рассчитать энергию основного состояния молекулы воды. Это классический тест для проверки мощности квантовых систем в химическом моделировании.
При расчетах использовали три метода исправления ошибок:
- Проверка паритета;
- симметричная верификация;
- Метод логических вентилей Клиффорда (two-qubit Clifford logical gates).
Результаты оказались удивительно точными и полностью совпали с теоретическими ожиданиями. Это подтверждает, что выбранный путь — использование донорных кластеров в кремнии — вполне жизнеспособен для создания больших квантовых компьютеров в будущем.
Работа демонстрирует переход от экспериментов с физическими кубитами к устойчивому логическому кодированию, что открывает реальные возможности для квантовых вычислений на кремнии.
Следующие шаги учёных выглядят логично: оптимизация расположения доноров, дальнейшее подавление шумов и увеличение количества логических кубитов. Если удастся создать массивы таких кластеров, мы, наконец, получим архитектуру, которую можно гибко адаптировать под разные вычислительные задачи, не строя при этом «инновационный» холодильник размером с дом.
Пока физики укротят спины атомов, нейробиологи тоже не отстают, пытаясь понять, как работают сложные сети в биологических системах. К примеру, недавно стало известно о том, как ученые научились «хакать» связи в мозге приматов, что тоже является своего рода программированием, хоть и совсем другого уровня.