DOI: https://doi.org/10.1038/s41565-024-01853-5
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39979400
تاريخ النشر: 2025-02-20
المؤلف: Ian Thorvaldson وآخرون
الموضوع الرئيسي: خوارزميات وهندسة الحوسبة الكمومية
نظرة عامة
في هذه الدراسة، أظهرنا السيطرة الكاملة المتماسكة على معالج سيليكون رباعي الكيوبت، الذي يتكون من ثلاث دورات نووية ودورة إلكترونية واحدة. إن الاتصال الشامل بين الكيوبتات في الهيكل، جنبًا إلى جنب مع أوقات التماسك الطويلة للكيوبتات الدورانية، مكننا من تحقيق دقة تحكم تتجاوز عتبة التحمل للخطأ. سهلت هذه القدرة التنفيذ الناجح لخوارزمية بحث غروفر ذات الثلاث كيوبتات بدقة عالية.
لعبت الدورة الإلكترونية دورًا حاسمًا في توفير الاتصال وتنفيذ بوابات متعددة الكيوبت بكفاءة. بالإضافة إلى ذلك، لديها القدرة على ربط سجلات الدوران النووي المجاورة من خلال تفاعلات تبادل الإلكترون-الإلكترون. تم الإبلاغ عن تقدم كبير في هذا المجال، مما يشير إلى التطور الوشيك لمعالجات الكم مع سجلات متعددة متصلة. علاوة على ذلك، مع اقتراب تقنيات المجهر النفقي الماسح (STM) من الدقة الذرية، نتوقع ظهور أجهزة مستقبلية تتميز بتفاعلات فائقة الدقة وهندسة متناهية الصغر.
نقاش
في هذه الدراسة، يقدم المؤلفون معالج كمومي رباعي الكيوبت يتكون من ثلاث دورات نووية من الفوسفور (P) ودورة إلكترونية واحدة، تم تصنيعه بدقة ذرية في سيليكون-28 المنقى نظائريًا باستخدام تقنية طباعة الهيدروجين بالمجهر النفقي الماسح (STM). يسمح الجهاز بالتحكم الدقيق في البيئة الكهروستاتيكية حول ذرات الفوسفور من خلال بوابات سيليكون مشبعة بشكل كبير، مما يمكّن من التهيئة والقراءة والتلاعب الفعال بالدورات. يذكر المؤلفون أن دقة بوابات الكيوبت الفردية تتجاوز 99.9% لجميع الكيوبتات ويظهرون بوابات CZ ذات الكيوبتين بدقة تزيد عن 99%، مما يسهل إنشاء حالات بيل وحالة غرينبرغر-هورن-زيلينغر (GHZ) ذات الثلاث كيوبتات بدقة تزيد عن 96%.
علاوة على ذلك، يقوم المؤلفون بتقييم معالجهم من خلال تنفيذ خوارزمية بحث غروفر، محققين احتمال نجاح قدره 93.46% في العثور على حالة محددة، وهو ما يتوافق مع 98.87% من الاحتمال المثالي. تسلط هذه الأداء الضوء على إمكانيات هيكلهم للحوسبة الكمومية، مستفيدين من أوقات التماسك الطويلة للدورات النووية والاتصال الشامل الذي توفره الدورة الإلكترونية. تشير النتائج إلى أن الجهاز لا يلبي فقط، بل يتجاوز أيضًا عتبة التحمل للخطأ لعمليات الكيوبت، مما يمهد الطريق للتقدم المستقبلي في معالجات الكم مع سجلات متصلة وتفاعلات فائقة الهندسة.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41565-024-01853-5
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39979400
Publication Date: 2025-02-20
Author(s): Ian Thorvaldson et al.
Primary Topic: Quantum Computing Algorithms and Architecture
Overview
In this study, we demonstrated full coherent control over a four-qubit silicon processor, which comprises three nuclear spins and one electron spin. The architecture’s all-to-all qubit connectivity, combined with the long coherence times of the spin qubits, enabled us to achieve control fidelities that exceed the fault-tolerant threshold. This capability facilitated the successful execution of a three-qubit Grover’s search algorithm with high accuracy.
The electron spin played a crucial role in providing connectivity and implementing multi-qubit gates efficiently. Additionally, it has the potential to couple neighboring nuclear spin registers through electron-electron exchange interactions. Significant advancements in this area have been reported, suggesting the imminent development of quantum processors with multiple interconnected registers. Furthermore, as scanning tunneling microscopy (STM) techniques approach atomic precision, we foresee the emergence of future devices featuring finely engineered hyperfine interactions and tunnel couplings.
Discussion
In this study, the authors present a four-qubit quantum processor composed of three phosphorus (P) nuclear spins and one electron spin, fabricated with atomic precision in isotopically purified silicon-28 using scanning tunneling microscopy (STM) hydrogen lithography. The device allows for precise control of the electrostatic environment around the P atoms through highly doped silicon gates, enabling efficient initialization, readout, and manipulation of the spins. The authors report single-qubit gate fidelities exceeding 99.9% for all qubits and demonstrate two-qubit controlled-Z (CZ) gates with fidelities above 99%, facilitating the creation of Bell states and a three-qubit Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ) state with fidelities greater than 96%.
Furthermore, the authors benchmark their processor by executing Grover’s search algorithm, achieving a success probability of 93.46% for finding a marked state, which corresponds to 98.87% of the ideal probability. This performance highlights the potential of their architecture for quantum computation, leveraging the long coherence times of the nuclear spins and the all-to-all connectivity provided by the electron spin. The results indicate that the device not only meets but exceeds the fault-tolerant threshold for qubit operations, paving the way for future advancements in quantum processors with interconnected registers and engineered hyperfine interactions.