Investigadores de RIKEN y QuTech, una colaboración entre TU Delft y la Organización Holandesa para la Investigación Científica Aplicada TNO, lograron un hito clave hacia el desarrollo de una computadora cuántica tolerante a fallas. Pudieron demostrar dos-fidelidad de la puerta de qubit del 99,5 por ciento, más alta que el 99 por ciento que se considera el umbral para construir computadoras tolerantes a fallas, utilizando qubits de espín de electrones en silicio, que son prometedores para las computadoras cuánticas a gran escala como tecnología de nanofabricación para construirlasya existe. Este estudio fue publicado en Naturaleza.
Actualmente, el mundo se encuentra en una carrera para desarrollar computadoras cuánticas a gran escala que podrían superar ampliamente a las computadoras clásicas en ciertas áreas. Sin embargo, estos esfuerzos se han visto obstaculizados por una serie de factores, incluido en particular el problema de la decoherencia o el ruido generado.en los qubits. Este problema se vuelve más serio con la cantidad de qubits, lo que dificulta la ampliación. Para lograr una computadora a gran escala que pueda usarse para aplicaciones útiles, se cree que una fidelidad de puerta de dos qubits de al menos 99Se requiere un porcentaje para implementar el código de superficie para la corrección de errores.Esto se ha logrado en ciertos tipos de computadoras, utilizando qubits basados en circuitos superconductores, iones atrapados y centros de vacantes de nitrógeno en diamantes, pero estos son difíciles de escalar a millones.de qubits necesarios para implementar el cálculo cuántico práctico con una corrección de errores.
Para abordar estos problemas, el grupo decidió experimentar con una estructura de puntos cuánticos que fue nanofabricada en un sustrato de pozo cuántico de silicio/germanio de silicio tenso, utilizando una puerta NO controlada CNOT. En experimentos anteriores, la fidelidad de la puerta era limitadadebido a la velocidad lenta de la puerta. Para mejorar la velocidad de la puerta, diseñaron cuidadosamente el dispositivo y lo ajustaron aplicando diferentes voltajes a los electrodos de la puerta. Esto combinó una técnica establecida de rotación rápida de un solo giro utilizando microimanes con un gran acoplamiento de dos qubits. El resultadoera una velocidad de puerta que era 10 veces mejor que los intentos anteriores. Curiosamente, aunque se había pensado que aumentar la velocidad de puerta siempre conduciría a una mejor fidelidad, descubrieron que había un límite más allá del cual aumentar la velocidad en realidad empeoraba la fidelidad.
En el curso de los experimentos, descubrieron que una propiedad llamada frecuencia de Rabi, un marcador de cómo los qubits cambian de estado en respuesta a un campo oscilante, es clave para el rendimiento del sistema, y encontraron un rangode frecuencias para las que la fidelidad de la puerta de un solo qubit fue del 99,8 por ciento y la fidelidad de la puerta de dos qubit fue del 99,5 por ciento, superando el umbral requerido.
A través de esto, demostraron que podían lograr operaciones universales, lo que significa que todas las operaciones básicas que constituyen las operaciones cuánticas, que consisten en una operación de un solo qubit y una operación de dos qubits, podrían realizarse con fidelidades de puerta por encima del umbral de corrección de errores.
Para probar la capacidad del nuevo sistema, los investigadores implementaron un algoritmo Deutsch-Jozsa de dos qubits y el algoritmo de búsqueda Grover. Ambos algoritmos generan resultados correctos con una alta fidelidad del 96 % al 97 %, lo que demuestra que las computadoras cuánticas de silicio puedenrealizar cálculos cuánticos con alta precisión.
Akito Noiri, el primer autor del estudio, dice: "Estamos muy contentos de haber logrado un conjunto de puertas cuánticas universales de alta fidelidad, uno de los desafíos clave para las computadoras cuánticas de silicio".
Seigo Tarucha, líder de los grupos de investigación, dijo: "El resultado presentado hace que los qubits de espín, por primera vez, sean competitivos frente a los circuitos superconductores y las trampas de iones en términos de rendimiento de control cuántico universal. Este estudio demuestra que las computadoras cuánticas de silicio son prometedorascandidatos, junto con la superconductividad y las trampas de iones, para la investigación y el desarrollo hacia la realización de computadoras cuánticas a gran escala".
En la misma edición de Naturaleza, dos equipos de investigación independientes también informan demostraciones experimentales de conjuntos de puertas cuánticas universales de alta fidelidad similares logrados en qubits de silicio. Un equipo de QuTech también usó qubits de espín de electrones en puntos cuánticos. Otro equipo de UNSW Sydney Universidad de New SouthWales usó un par de núcleos de fósforo implantados con iones en silicio como qubits de espín nuclear.
Fuente de la historia:
Materiales proporcionado por RIKEN. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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