นักวิจัยประสบความสำเร็จในการควบคุมซิลิคอนควอนตัมบิตห้าตัวพร้อมกันผ่านสายควบคุมไมโครเวฟเดียว โดยมีความแม่นยำสูงถึง 99.9%

ประสิทธิภาพของคอมพิวเตอร์ควอนตัมไม่เพียงขึ้นอยู่กับจำนวนควอนตัมบิตที่มีอยู่ แต่ยังขึ้นอยู่กับความสามารถในการทำงานร่วมกันอย่างแม่นยำอีกด้วย เมื่อเร็วๆ นี้ นักวิจัยได้แสดงให้เห็นถึงวิธีการควบคุมควอนตัมบิตซิลิคอนห้าตัวพร้อมกันผ่านสายควบคุมไมโครเวฟเดียว โดยรักษาความแม่นยำในการดำเนินการไว้ที่ 99.9% หรือสูงกว่า วิธีการนี้อาจช่วยให้โปรเซสเซอร์ควอนตัมในอนาคตสามารถขยายได้ง่ายขึ้น โดยไม่จำเป็นต้องตั้งค่าควบคุมแยกต่างหากสำหรับแต่ละควอนตัมบิต อย่างไรก็ตาม การควบคุมควอนตัมบิตหลายตัวไม่ใช่เรื่องง่ายเพียงแค่การส่งสัญญาณไมโครเวฟ คอมพิวเตอร์ควอนตัมจำเป็นต้องดำเนินการแบบขนานเพื่อเรียกใช้โปรแกรมการแก้ไขข้อผิดพลาด ซึ่งช่วยปกป้องข้อมูลควอนตัมที่เปราะบาง

อย่างไรก็ตาม สัญญาณที่ใช้ควบคุมควอนตัมบิตหนึ่งตัวอาจรบกวนควอนตัมบิตที่อยู่ใกล้เคียง ส่งผลให้ความแม่นยำในการดำเนินการลดลง ในการทดลองก่อนหน้านี้ ปัญหานี้ทำให้ความถูกต้องของการดำเนินการลดลงจาก 99.95% เป็นประมาณ 99.5% นักวิจัยชี้ให้เห็นว่า "ในอุปกรณ์ซิลิคอน การควบคุมพร้อมกันยังคงเป็นความท้าทายหลัก เนื่องจากความถูกต้องมักจะลดลงเมื่อดำเนินการแบบขนาน"

ความท้าทายในการควบคุมควอนตัมบิตหลายตัว

นักวิจัยจาก RIKEN ประเทศญี่ปุ่นและหน่วยงานร่วมได้ระบุแหล่งที่มาหลักของการรบกวนนี้และพัฒนาวิธีการชดเชย แหล่งที่มาของการเบี่ยงเบนความถี่นี้ทำให้ควอนตัมบิตสูญเสียทิศทางที่ถูกต้อง ทีมวิจัยใช้ควอนตัมบิตห้าตัวที่ประกอบด้วยการหมุนของอิเล็กตรอน ซึ่งถูกกักขังในโครงสร้างขนาดเล็กที่เรียกว่า "ควอนตัมดอท" และตั้งอยู่ภายในอุปกรณ์ซิลิคอน/ซิลิคอนเจอร์เมเนียม นักวิจัยเสริมว่า "ควอนตัมบิตซิลิคอนหมุนมีแนวโน้มที่จะเป็นทางเลือกที่สามารถขยายได้สำหรับการคำนวณควอนตัม เนื่องจากเข้ากันได้กับการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ในอุตสาหกรรม" สัญญาณไมโครเวฟควบคุมควอนตัมบิตเหล่านี้ แต่สัญญาณที่มุ่งเป้าไปที่ควอนตัมบิตหนึ่งอาจส่งผลกระทบต่อควอนตัมบิตที่อยู่ใกล้เคียง

ผลกระทบที่ไม่จำเป็นนี้เรียกว่าการรบกวน แม้ว่าอาจไม่ใช่เป้าหมาย แต่ก็ยังสามารถลดความแม่นยำของการดำเนินการควอนตัมได้ นักวิจัยติดตามแหล่งที่มาหลักของการรบกวนนี้ไปยังปรากฏการณ์ที่เรียกว่า "AC Stark shift" สัญญาณไมโครเวฟสามารถเปลี่ยนระดับพลังงานที่มีประสิทธิภาพของควอนตัมบิตที่อยู่ใกล้เคียง เปลี่ยนกระบวนการวิวัฒนาการของสถานะควอนตัม ซึ่งจะทำให้เกิดการเบี่ยงเบนเฟสที่ไม่จำเป็น ซึ่งอธิบายถึงการเปลี่ยนแปลงตามเวลาของคลื่นที่บรรยายสถานะควอนตัม ซึ่งจะทำให้การดำเนินการที่คาดหวังเบี่ยงเบนออกจากทิศทางที่ถูกต้อง

ทีมวิจัยพบว่า การเบี่ยงเบนเฟสเหล่านี้สามารถคาดการณ์ได้โดยการวัดผลกระทบของควอนตัมบิตแต่ละตัวที่มีต่อกัน พวกเขาใช้ผลการวัดเหล่านี้ในการชดเชยการเปลี่ยนแปลงที่ไม่จำเป็นเมื่อควอนตัมบิตหลายตัวทำงานร่วมกัน โดยหลีกเลี่ยงความจำเป็นในการปรับเทียบแยกต่างหากสำหรับทุกการรวมกันที่เป็นไปได้ ผู้เขียนหลักของการวิจัย Wu Yihsien อธิบายว่า "วิธีการของเราชดเชยการเบี่ยงเบนเฟสที่ไม่จำเป็นผ่านการปรับเทียบระหว่างควอนตัมบิต โดยไม่จำเป็นต้องมีโปรแกรมการปรับเทียบที่แยกต่างหากสำหรับทุกการรวมกันของควอนตัมบิต" ผลลัพธ์แสดงให้เห็นถึงประสิทธิภาพของวิธีการนี้ ในการดำเนินการแยกต่างหาก ความถูกต้องของการดำเนินการควอนตัมบิตห้าตัวเกิน 99.99% โดยที่ดีที่สุดใกล้เคียง 99.999%

ศักยภาพและความท้าทายในการขยายในอนาคต

เมื่อควอนตัมบิตสูงสุดสามตัวทำงานพร้อมกัน ความถูกต้องยังคงอยู่ที่ 99.99% ขึ้นไป แม้ว่าเมื่อควอนตัมบิตห้าตัวทำงานพร้อมกัน ความถูกต้องของการดำเนินการก็ยังคงอยู่ที่ 99.9% หรือสูงกว่า ความแม่นยำนี้ได้บรรลุมาตรฐานการใช้งานการคำนวณควอนตัมแบบทนต่อข้อผิดพลาด ซึ่งในกรณีนี้ เทคโนโลยีการแก้ไขข้อผิดพลาดช่วยปกป้องการคำนวณจากผลกระทบของข้อผิดพลาด อย่างไรก็ตาม นี่ไม่ได้หมายความว่านักวิจัยได้สร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่ทนต่อข้อผิดพลาดอย่างสมบูรณ์แล้ว

การใช้สายไมโครเวฟร่วมกันสามารถลดจำนวนการเชื่อมต่อควบคุมที่จำเป็นสำหรับโปรเซสเซอร์ขนาดใหญ่ ประหยัดพื้นที่ และอาจลดความร้อนที่เกิดจากฮาร์ดแวร์ควบคุม นักวิจัยมองว่าวิธีการนี้เป็นพื้นฐานสำหรับโมดูลในอนาคตที่อาจมีควอนตัมบิตประมาณสิบตัว แม้ว่าการกำหนดค่าขนาดใหญ่เช่นนี้ยังคงเป็นเป้าหมายในอนาคตมากกว่าผลลัพธ์ที่พิสูจน์แล้ว ความท้าทายอื่นๆ ยังคงมีอยู่ สัญญาณไมโครเวฟที่แรงขึ้นสามารถเร่งการดำเนินการได้ แต่ก็อาจนำไปสู่การรบกวนที่ไม่จำเป็น ซึ่งรบกวนสถานะควอนตัมที่ละเอียดอ่อนของควอนตัมบิต ทีมงานเสนอให้ปรับปรุงการควบคุมการหมุนของอิเล็กตรอนโดยการรวมแม่เหล็กขนาดเล็กเข้าไปในชั้นการเดินสายของชิป

แม่เหล็กที่ปรับปรุงเหล่านี้สามารถสร้างสนามแม่เหล็กท้องถิ่นที่แข็งแกร่งขึ้น ซึ่งอาจอนุญาตให้ดำเนินการได้อย่างรวดเร็วด้วยกำลังไมโครเวฟที่ต่ำกว่า ขณะนี้ ความสำเร็จนี้ได้แก้ไขอุปสรรคหนึ่งในการขยายคอมพิวเตอร์ควอนตัมซิลิคอน: การควบคุมที่แม่นยำเมื่อควอนตัมบิตหลายตัวทำงานร่วมกัน ก่อนที่จะสามารถสนับสนุนการคำนวณควอนตัมที่ทนต่อข้อผิดพลาดได้ การขยายวิธีการนี้ไปยังอาร์เรย์ที่ใหญ่ขึ้นและการควบคุมแหล่งข้อผิดพลาดอื่นๆ จะเป็นสิ่งสำคัญ การวิจัยนี้เผยแพร่ในวารสาร Nature Physics