Ученые из китайского Университета науки и техники, университетов Чжэцзяна и Фучжоу, и китайского Института физики продемонстрировали квантовую запутанность между 10 сверхпроводящими кубитами, расположенными на кристалле одного чипа. Такое состояние квантовой системы является своего рода рекордом по количеству запутанных кубитов, ранее этот рекорд был равен девяти запутанным кубитам. Данное достижение является очередным шагом на пути к созданию крупномасштабных квантовых вычислительных систем на основе твердотельных чипов.

Самым существенным препятствием к созданию квантовых систем с большим количеством запутанных кубитов является квантовая декогеренция, которая приводит к нарушению хрупкого квантового состояния кубита и, как следствие, к разрыву запутанности. Одной из стратегий борьбы с декогеренцией является использование сверхпроводящих схем, которые работают при крайне низких температурах. При этих температурах тепловое движение атомов сведено к минимуму и кубиты могут находиться в заданном квантовом состоянии более длительное время.

В новом квантовом чипе китайские исследователи использовали кубиты на основе крошечных кусочков алюминия, которые были соединены друг с другом и расположены вокруг центрального шинного резонатора. Реализованная таким образом квантовая шина является ключевым компонентом системы, через нее осуществляется управление каждым отдельным кубитом, а их определенное взаимодействие приводит к возникновению запутанности.

При помощи квантовой шины исследователи могут создать квантовую запутанность между любыми двумя кубитами системы, т.е. произвести несколько отдельных пар запутанных кубитов. А небольшие изменения в стратегии управления кубитами позволяют запутать сразу все десять кубитов, входящих в состав квантовой системы. В отличие от других способов создания запутанности между несколькими кубитами, данный способ не нуждается в дополнительных квантовых логических элементов или в физическом изменении сверхпроводящих цепей, соединяющих кубиты в единую систему. Все десять кубитов можно запутать путем проведения одной единственной операции, которая производится при помощи квантовой шины.

Для того, чтобы убедиться в качестве создаваемого состояния запутанности, исследователи использовали технологию квантовой томографии, которая позволяет определить вероятность возникновения каждого из возможных состояний квантовой системы. Хотя количество состояний 10-кубитной системы измеряется очень большим числом, экспериментально полученное распределение привело к 67-процентной вероятности нахождения системы в «правильном» состоянии. Это значение гораздо выше порога, достижение которого считается подтверждением возникновения запутанности и который приблизительно равен 50 процентам.

Конечной целью данных исследований является создание квантового симулятора, при помощи которого можно будет моделировать поведение маленьких молекул, которые, в свою очередь, являются частями квантовых систем. Это позволит произвести более подробный и эффективный анализ работы таких систем, которые в будущем станут основой квантовых компьютеров, способных решать определенные задачи гораздо быстрее обычных компьютеров, включая и самые мощные современные суперкомпьютеры.