دانشمندان ریکن کنترل هم‌زمان و پردقت پنج کیوبیت اسپینی سیلیکونی را به دست آوردند

پژوهشگران مرکز RIKEN برای علوم ماده نوظهور (RIKEN Center for Emergent Matter Science) و همکارانشان از پیشرفتی مهم در حوزه رایانش کوانتومی مبتنی بر سیلیکون خبر دادند و نتایج خود را در نشریه Nature Physics منتشر کردند. این تیم پنج کیوبیت اسپینی سیلیکونی را به‌طور هم‌زمان از طریق یک خط کنترل مایکروویو مشترک به کار گرفت؛ هر کیوبیت به‌تنهایی به دقتی برای گیت تک‌کیوبیتی به‌مراتب بالاتر از ۹۹.۹۹٪ رسید — بالاترین مقدار نزدیک به ۹۹.۹۹۹٪ بود. زمانی که تا سه کیوبیت به‌طور هم‌زمان فعال بودند، دقت همچنان بالاتر از ۹۹.۹۹٪ باقی ماند. با کنترل هم‌زمان تمامی پنج کیوبیت، دقت در حدود ۹۹.۹٪ حفظ شد؛ رقمی نزدیک به سطحی که برای رایانش کوانتومی عملی و تحمل‌پذیر در برابر خطا لازم است.

مشکل اصلی‌ای که این تیم با آن دست‌و‌پنجه نرم کرد، پدیده‌ای به نام «جابه‌جایی استارک متناوب» (AC Stark shift) بود: سیگنال‌های کنترل مایکروویو سطوح انرژی مؤثر یک کیوبیت را تغییر می‌دهند و جابه‌جایی‌های فازی ناخواسته‌ای ایجاد می‌کنند که هنگام کار هم‌زمان چند کیوبیت، دقت را کاهش می‌دهند. برای مقابله با این مشکل، پژوهشگران روشی برای کالیبراسیون زوجی طراحی کردند: به‌جای ترسیم تمام ترکیب‌های ممکن از کیوبیت‌ها، کالیبراسیون‌هایی که میان جفت‌ها انجام می‌شود برای جبران جابه‌جایی‌های ناخواسته به کار می‌رود؛ رویکردی که آن را برای سیستم‌های بزرگ‌تر نیز عملی می‌سازد.

لئون کامنزیند (Leon Camenzind)، از نویسندگان اول مشترک این پژوهش در ریکن، گفت نتایج نشان می‌دهد که «کنترل پردقت حتی زمانی که چند کیوبیت به‌طور هم‌زمان کار می‌کنند نیز قابل حفظ است». یی‌شیِن وو (Yi-Hsien Wu)، نویسنده اول که آزمایش‌ها را در چارچوب پژوهش دکتری خود انجام داد، خاطرنشان کرد که این راهبرد زوجی نیاز به فرآیند کالیبراسیون جداگانه برای هر ترکیب از کیوبیت‌ها را از بین می‌برد.

مقداری خطای باقی‌مانده همچنان وجود داشت که آن را به ازهم‌گسیختگی کوانتومی (decoherence) ناشی از سیگنال کنترلی، به دلیل توان مایکروویو بالاتر لازم برای عملکرد موازی، نسبت دادند؛ محدودیتی که به گفته تیم، طراحی بهتر دستگاه می‌تواند به رفع آن کمک کند. کیوبیت‌های اسپینی سیلیکونی با فرآیندهای تولید نیمه‌هادی‌های موجود سازگار هستند و همین امر آن‌ها را به بستری امیدبخش برای مقیاس‌پذیری پردازنده‌های کوانتومی تبدیل می‌کند.