محققان مؤسسه فناوری توکیو و RIKEN پیشرفت قابل توجهی در درک و تعیین کمیت همبستگی نویز بین کیوبیت های نیمه هادی داشته اند که برای توسعه پردازنده های کوانتومی مقیاس پذیر بسیار مهم هستند. این مطالعه که در Nature Physics منتشر شد، بر روی کیوبیت‌های اسپین سیلیکونی متمرکز شد که به یک پلتفرم امیدوارکننده برای محاسبات کوانتومی در مقیاس بزرگ تبدیل شده‌اند.
برای ساخت رایانه‌های کوانتومی با کارایی بالا، محققان باید بتوانند به طور قابل اعتماد اطلاعاتی در مورد نویز داخل آنها به دست آورند و در عین حال استراتژی‌های مؤثری برای سرکوب این نویز را نیز شناسایی کنند. در سال های اخیر، پیشرفت قابل توجهی در این راستا صورت گرفته است و خطاهای عملیاتی زیر 1% را در پلتفرم های محاسباتی کوانتومی مختلف ممکن می سازد.
با این حال، ساخت پردازنده‌های کوانتومی با کارایی بالا بر اساس تعداد زیادی از کیوبیت‌های سیلیکونی نزدیک به هم، چالش برانگیز بوده است. این سیستم‌ها نویزهایی را نشان می‌دهند که بین کیوبیت‌های مختلف همبستگی دارد و تحمل خطای دستگاه‌ها را کاهش می‌دهد و عملکرد آنها را مختل می‌کند. بنابراین، درک و کاهش همبستگی های نویز برای پیشرفت محاسبات کوانتومی بسیار مهم است.
تیم تحقیقاتی به رهبری Jun Yoneda تصمیم گرفتند تا به موضوع همبستگی خطا در کیوبیت های سیلیکونی بپردازند. هدف آنها بررسی میزان همبستگی‌های نویز بین کیوبیت‌ها بود، به این امید که توسعه آینده سیستم‌های محاسباتی کوانتومی مبتنی بر نیمه‌هادی‌ها را اطلاع‌رسانی کنند. به طور خاص، آنها همبستگی بین نویزِ تجربه شده توسط دو کیوبیت مبتنی بر سیلیکون که در فاصله 100 نانومتری از هم قرار گرفته بودند را تجزیه و تحلیل کردند.
محققان همبستگی‌های نویز بین کیوبیتی قوی را بین کیوبیت‌های اسپین سیلیکونی همسایه، با قدرت همبستگی 0.7 در فرکانس‌های خاص مشاهده کردند. مشخص شد که این همبستگی ها به دلیل نویز الکتریکی است که بعید است با فاصله به سرعت از بین برود. این نشان می دهد که همبستگی خطا باید در آرایه های کیوبیت متراکم در سیلیکون جدی گرفته شود.
این تیم از یک تکنیک تخمین بیزی (Bayesian estimation) منحصر به فرد استفاده کرد که به آنها اجازه داد تا ارتباط آماری همبستگی های مشاهده شده را تأیید کنند. نکته مهم این است که رویکرد آنها به هیچ دانش قبلی از طیف خودکار یاهمان auto-spectrum نیاز ندارد، و آن را به ابزاری قدرتمند برای ارزیابی و کمی کردن نویز کیوبیت تبدیل می‌کند.
محققان با شناسایی نوسانات در نرخ تقدم تک اسپینی که به شدت با نویز مبادله (exchange noise) همبستگی دارند، توانستند تاثیرگذارترین منابع نویز را در دستگاه خود مشخص کنند. این دستاورد بینش های ارزشمندی را در مورد ماهیت و منشاء نویز در کیوبیت های سیلیکونی ارائه می دهد.
در آینده، محققان قصد دارند بررسی کنند که تا چه حد همبستگی در یک آرایه کیوبیت گسترش می‌یابد و روش‌های تحلیل نویز را برای گنجاندن همبستگی‌های متقابل (cross correlations) بررسی کنند چرا که درک میزان و تأثیر همبستگی‌های نویز برای دستیابی به سیستم‌های محاسباتی کوانتومی مقاوم در برابرخطا حیاتی است.
منبع
J. Yoneda et al, Noise-correlation spectrum for a pair of spin qubits in silicon, Nature Physics (2023). DOI: 10.1038/s41567-023-02238-6
