Fujitsu создала первый в мире рабочий прототип квантового компьютера на базе алмазных спиновых кубитов

Fujitsu объявила о создании первого в мире рабочего прототипа квантового компьютера на базе алмазных спиновых кубитов, в котором центры вакансий со стороним атомом олова (SnV) интегрированы в фотонные интегрированные схемы. Прототип работает при температуре около −271,6 °C, что выше типичной рабочей температуры сверхпроводящих квантовых компьютеров, и в тестовой среде продемонстрировано, что им можно управлять через гибридную квантовую платформу Fujitsu без привлечения узкоспециализированных знаний.

Компания считает разработку важным шагом на пути к масштабированию квантовых вычислений и реализации модульной архитектуры, которая обладает высокой точностью операций и эффективной оптической связностью между модулями. Разработка основана на совместных исследованиях Fujitsu, Делфтского технического университета и исследовательского института QuTech.

В рамках дальнейшей работы Fujitsu планирует создать прототип многомодульного алмазного квантового компьютера и развивать технологии интеграции алмазного подхода со сверхпроводящими системами, что должно ускорить продвижение к крупномасштабным квантовым компьютерам. Эти усилия ведутся в рамках общей дорожной карты компании по практической реализации квантовых вычислений.

В комментарии руководитель по технологиям Fujitsu отметил, что алмазный спиновый подход сам по себе обещает высокую масштабируемость, а также может быть интегрирован с сверхпроводящими квантовыми компьютерами для расширения их возможностей и выполнения более сложных задач. Компания намерена продолжать развитие как аппаратного, так и программного обеспечения, опираясь на ключевые преимущества алмазного подхода: высокую точность и оптическую связность.

Руководство QuTech подчеркнуло, что появление прототипа — важная веха совместной работы с Fujitsu и Делфтским университетом. Одновременно он отметил, что демонстрация ожидаемой масштабируемости алмазных спиновых систем остаётся долгой и сложной задачей, и подтвердил готовность института и дальше укреплять сотрудничество с Fujitsu для продвижения технологий следующего поколения.

Ключевые технологические разработки прототипа

Fujitsu выделила три ключевые технологические разработки, реализованные в прототипе:

  • Технология гетерогенного бондирования и истончения материалов для масштабируемых квантовых чипов. Для создания чипов с SnV‑центрами компания разработала способ бондирования высококачественных алмазных подложек, ионизированных оловом, с подложками из альмины/диоксида кремния, а также технологию истончения алмаза с нескольких сотен микрометров до нескольких сотен нанометров, пригодных для использования в чипах.
  • Технология изготовления фотонных интегрированных схем для SnV‑центров. Fujitsu разработала процесс интеграции нанометрических алмазных кристаллов, содержащих SnV‑центры, с оптическими волноводами из альмины, прозрачными в видимом диапазоне, для извлечения одиночных фотонов, испускаемых при считывании кубитов. При обработке алмаза использовались результаты совместных исследований с Токийским университетом.
  • Технология преобразования квантовых схем под алмазный спиновый подход. Поскольку управление кубитами требует комбинации оптических импульсов, микроволн и радиочастотных сигналов, Fujitsu разработала механизм преобразования квантовых схем, заданных квантовыми вентилями, в управляющие последовательности для этих физических операций, что позволяет контролировать систему из гибридной квантовой платформы компании.

Алмазный спиновый подход использует дефекты кристаллической решётки, называемые цветными центрами, в алмазе как кубиты. Благодаря свойствам алмаза квантовые состояния в таких центрах сохраняют высокую устойчивость, что даёт возможность достигать высокой точности и формировать логические кубиты из меньшего числа физических спинов по сравнению с некоторыми альтернативными подходами. Кроме того, оптическая природа связи позволяет гибко соединять несколько квантовых модулей — используя фотоны можно устанавливать спутанность между удалёнными спинами даже при размещении модулей в отдельных чипах или криостатах, что облегчает построение масштабируемых модульных систем.

Традиционно в подобных системах применяются центры вакансий азота (NV), возникающие при присутствии атомов азота в алмазной решётке. В данном прототипе выбран SnV‑центр — дефект с атомом олова между двумя соседними вакансиями. Он обладает более высокой структурной симметрией и меньшей чувствительностью к внешним шумам по сравнению с NV‑центрами, что делает его перспективным кандидатом для стабильных и ярких цветных центров.

Часть работ по проекту поддержана инфраструктурной программой в области материалов и нанотехнологий Министерства образования, культуры, спорта, науки и технологий Японии. Проект также осуществлялся в сотрудничестве QuTech и Fujitsu при софинансировании национальной голландской программы поддержки высоких технологий.

В сопроводительных материалах Fujitsu указывает, что предыдущие исследования с участием Делфта и компании продемонстрировали выполнение двухкубитного логического оператора с вероятностью ошибки менее 0,1% на основе электронных и ядерных спинов NV‑центров, а также что оптические методы уже использовались для создания спутанности и выполнения квантовых операций между удалёнными NV‑центрами, размещёнными в отдельных криостатах.

В контексте алмазного спинового подхода квантовый модуль определяется как базовый элемент системы, содержащий два типа спиновых кубитов: электронные и ядерные спины изотопа 13C; мультипликативное расширение системы обеспечивается оптическим соединением нескольких таких модулей. Компания отмечает, что дальнейшая работа будет включать создание многомодульного прототипа и исследования по интеграции алмазных спиновых технологий с сверхпроводящими схемами, что должно стать шагом к практическому развитию масштабируемых квантовых вычислителей.

Fujitsu подчёркивает приверженность продвижению квантовых технологий в сочетании с разработкой программного обеспечения и аппаратных решений для реального использования в вычислительных задачах.