Японцы нашли способ, как ускорять кубит и не ловить электрические помехи
Японские физики нашли способ сделать квантовые операции быстрее и точнее, добавив всего одну квантовую точку в полупроводниковый кубит. Разработанная схема позволила выполнять операции за 4 наносекунды с точностью до 99,72%, одновременно снизив чувствительность устройства к электрическим помехам.
Исследователи из Университета Осаки совместно с коллегами из Германии и Японии представили результаты эксперимента в журнале npj Quantum Information 24 октября 2026 года. Разработка помогает решить одну из проблем квантовых процессоров. Чем быстрее инженеры пытаются управлять состоянием кубита, тем сильнее электрические колебания мешают его работе. Новая конструкция позволяет настраивать скорость и устойчивость более независимо друг от друга.
В основе устройства лежат квантовые точки, крошечные области полупроводника, способные удерживать отдельные электроны. Информацию кодируют в спине электрона, квантовом свойстве, которое можно условно представить как направление крошечной магнитной стрелки. В традиционной конструкции такого типа используют две точки. Электрическое поле перемещает электрон между ними, а созданное микромагнитом неоднородное магнитное поле позволяет управлять его спином.
Проблема возникает при попытке ускорить операции. Для быстрого управления нужно усилить связь между движением электрона и его спином, но тогда даже небольшие скачки напряжения начинают заметно менять частоту кубита. Японские физики добавили третью, вспомогательную квантовую точку, электрические параметры которой можно регулировать отдельно. Благодаря дополнительному элементу исследователи научились менять энергетическую структуру системы, сохраняя быстрое управление спином.
Разработчики называют подход инженерией орбитальных энергетических уровней. Регулируя напряжение на вспомогательной точке, физики нашли диапазон настроек, в котором частота кубита значительно слабее реагирует на электрические помехи. При этом скорость вращения спина, характеризуемая частотой Раби, превышала 100 МГц. В другом режиме настройки исследователи достигли 271 ± 20 МГц, хотя максимальная скорость сама по себе не обеспечивала наилучшую точность операций.
Одной аппаратной доработкой команда не ограничилась. Исследователи подключили систему обратной связи на основе нейросети, которая анализировала результаты измерений и корректировала частоту управляющих микроволновых импульсов. Алгоритм компенсировал медленные изменения параметров кубита, возникающие из-за шума. Стандартное отклонение колебаний частоты удалось снизить примерно с 3,87 МГц до 388 кГц, то есть почти в десять раз.
После включения обратной связи расчётное время дефазировки, характеризующее потерю информации об относительной фазе квантового состояния, выросло примерно с 52 до 580 наносекунд. При проверке последовательностями квантовых операций точность одного поворота спина на 90 градусов повысилась с 99,23% до 99,56%. Дополнительная настройка формы управляющих импульсов увеличила показатель до 99,72% при продолжительности операции 4,05 наносекунды.
Эксперимент проводили на структуре из арсенида галлия и арсенида галлия-алюминия при температуре около 170 милликельвинов, всего на 0,17 градуса выше абсолютного нуля. Столь глубокое охлаждение помогает сохранять квантовые состояния, однако полностью устранить помехи не позволяет. Помимо электрического шума, на электронные спины воздействуют магнитные моменты атомных ядер материала. Поэтому физикам пришлось сочетать новую конструкцию с активной коррекцией частоты.
Результат особенно интересен для полупроводниковых кубитов, которые рассматривают как основу будущих масштабируемых квантовых процессоров. При изготовлении большого количества одинаковых элементов неизбежно возникают небольшие различия между отдельными устройствами. Возможность компенсировать такие отклонения электрической настройкой уже после производства потенциально упрощает создание крупных массивов кубитов.
Пока исследователи продемонстрировали высокоточную работу одного спинового кубита, а не полноценного многокубитного процессора. Третья квантовая точка служит вспомогательным элементом управления и не превращает устройство в систему из трёх кубитов. Эксперимент также не проверял выполнение двухкубитных операций, необходимых для универсальных квантовых вычислений. Авторы предполагают, что предложенный принцип можно перенести на кремниевые и германиевые структуры, но практического подтверждения для других материалов пока нет.