Универсальные логические операции в кремниевом квантовом процессоре

Преобразование хрупких квантовых битов в надёжные инструменты

Квантовые компьютеры обещают решать задачи, недоступные современным машинам, но их основные строительные элементы, известные как кубиты, крайне хрупки. В этом исследовании показано, как кубиты в кремнии можно объединить так, чтобы они вели себя скорее как прочные носители информации, приближая практическое квантовое вычисление к технологиям, уже используемым в повседневной электронике.

Почему важно работать на кремнии

Большая часть наших классических компьютеров работает на кремниевых чипах, поэтому возможность создавать квантовое оборудование на том же материале может значительно упростить производство и масштабирование будущих устройств. Команда работает со спиновыми кубитами, формируемыми атомами фосфора, размещёнными с атомной точностью внутри кристалла кремния. Эти спины способны хранить квантовую информацию длительное время, и предыдущие работы показали, что отдельными и небольшими группами ими можно управлять с очень высокой точностью. То, чего не хватало в кремнии, — это следующий шаг: выполнение полноценных «логических» операций, которые активно защищают информацию от шума.

Хранение одного логического бита в нескольких физических

Исследователи используют изящную схему, называемую кодом [[4, 2, 2]], в которой четыре физических кубита совместно хранят два логических кубита, а пятый кубит играет вспомогательную роль. Вместо того чтобы полагаться на отдельный кубит, информация распределена по всем четырём, так что определённые ошибки на отдельной частицы можно заметить и отбросить. Устройство создают, вырисовывая узоры на поверхности кремния с помощью сканирующего туннельного микроскопа, а затем легируя эти области атомами фосфора, формируя плотный кластер из пяти ядерных спинов, которые выступают в роли кубитов. С помощью точно калиброванных магнитных импульсов команда подготавливает два логических состояния, включая запутанную пару Бэлла, и показывает, что после отсева данных с обнаруживаемыми ошибками эти логические состояния воспроизводятся с достоверностями выше 95%.

Поддержание квантовой информации живой и управляемой

Чтобы проверить устойчивость закодированной информации, авторы наблюдают, как закодированные состояния изменяются со временем. Они отслеживают различные типы ошибок и отмечают, что преобладают сдвиги фазы над простыми переворотами битов — «смещение шума», которое, как следует из теории, может сделать коррекцию ошибок более эффективной. Затем команда демонстрирует полный набор логических гейтов: операции, которые переворачивают, поворачивают и запутывают логические кубиты без необходимости декодировать их обратно в отдельные спины. Большинство этих гейтов реализованы непосредственно за счёт естественных взаимодействий в донорном кластере. Особый тип поворота, известный как T-гейт и необходимый для действительно универсальных квантовых вычислений, достигается косвенно с привлечением дополнительного вспомогательного кубита и использованием результатов измерений для определения, как был повернут логический кубит.

Создание специального квантового топлива и тест реального алгоритма

Те же T-подобные операции также позволяют команде подготовить так называемые «магические состояния» — особые суперпозиции, необходимые для запуска универсальных алгоритмов с коррекцией ошибок. Созданы и измерены несколько вариантов этих состояний, один из вариантов превосходит известный порог качества, требуемый для будущих процедур очистки. Чтобы продемонстрировать практическое применение, исследователи запускают небольшую задачу квантовой химии, используя гибридную квантово-классическую процедуру, называемую вариационным квантовым методом собственных значений. Используя всего два логических кубита, они аппроксимируют энергию основного состояния молекулы воды при изменении угла связи, применяя дополнительные шаги очистки данных для противодействия оставшемуся шуму. Полученная кривая энергии хорошо согласуется с теоретическими ожиданиями, несмотря на то что аппаратная база остаётся относительно небольшой.

Что это означает для будущих квантовых машин

Эта работа отмечает первый демонстрационный пример универсальных логических операций в кремниевом квантовом процессоре, построенном на основе донорных атомов. Кодируя информацию по нескольким спинам, обнаруживая ошибки постфактум и при этом успешно запуская алгоритм, вдохновлённый химией, авторы показывают, что кремниевые спиновые кубиты могут выйти за рамки изолированных строительных блоков и стать защищёнными, программируемыми единицами. При улучшении изготовления для более точного размещения доноров, снижении перекрёстных помех управляющих сигналов и увеличении массивов таких кластеров аналогичные логические схемы могут масштабироваться до практичных, отказоустойчивых квантовых компьютеров, расположенных гораздо ближе к современной чиповой технологии.

Цитирование: Zhang, C., Xu, F., Zhang, S. et al. Universal logical operations in a silicon quantum processor. Nat. Nanotechnol. 21, 635–641 (2026). https://doi.org/10.1038/s41565-026-02140-1

Ключевые слова: кремниевый квантовый процессор, логические кубиты, [[4, 2, 2]] код, отказоустойчивые квантовые вычисления, квантовая химия