Fysiker vid Oxfords universitet har satt en ny global standard för noggrannheten i styrningen av en enskild kvantbit och uppnått den lägsta felfrekvensen någonsin för en kvantlogisk operation – bara 0,000015 %, eller ett fel på 6,7 miljoner operationer. Detta rekordresultat innebär en förbättring med nästan en storleksordning jämfört med den tidigare standarden, som sattes av samma forskargrupp för tio år sedan.
För att sätta resultatet i perspektiv: det är mer sannolikt att en person blir träffad av blixten under ett år (1 på 1,2 miljoner) än att en av Oxfords kvantlogiska grindar gör ett misstag.
Resultaten, som kommer att publiceras i Physical Review Letters, är ett stort steg framåt mot robusta och användbara kvantdatorer.
”Såvitt vi vet är detta den mest exakta qubit-operationen som någonsin har registrerats någonstans i världen”, säger professor David Lucas, medförfattare till artikeln, från Oxfords universitets fysikavdelning. ”Det är ett viktigt steg mot att bygga praktiska kvantdatorer som kan hantera verkliga problem.”
För att utföra användbara beräkningar på en kvantdator måste miljontals operationer köras över många kvantbitar. Det innebär att om felprocenten är för hög blir det slutliga resultatet av beräkningen meningslöst. Fel kan visserligen korrigeras, men det kräver många fler kvantbitar. Genom att minska felprocenten minskar den nya metoden antalet kvantbitar som krävs och därmed kostnaden och storleken på själva kvantdatorn.
Forskarna från Oxford med den experimentella utrustningen i Clarendon Laboratory, Institutionen för fysik, Oxfords universitet. Från vänster till höger: Dr Mario Gely, Molly Smith, Aaron Leu. Foto: Adam Martinez
Medförfattaren Molly Smith (doktorand, Institutionen för fysik, Oxfords universitet) säger: ”Genom att drastiskt minska risken för fel minskar detta arbete avsevärt den infrastruktur som krävs för felkorrigering, vilket banar väg för framtida kvantdatorer som är mindre, snabbare och effektivare. Precis kontroll av kvantbitar kommer också att vara användbar för andra kvanttekniker, såsom klockor och kvantsensorer.”
Denna oöverträffade precision uppnåddes genom att använda en infångad kalciumjon som kvantbit. Dessa är ett naturligt val för lagring av kvantinformation på grund av sin långa livslängd och robusthet. Till skillnad från den konventionella metoden, som använder laser, kontrollerade Oxford-teamet kalciumjonernas kvanttillstånd med hjälp av elektroniska (mikrovågs)signaler.
Denna metod erbjuder större stabilitet än laserstyrning och har även andra fördelar för att bygga en praktisk kvantdator. Elektronisk styrning är till exempel mycket billigare och mer robust än lasrar och lättare att integrera i jonfällchips. Dessutom genomfördes experimentet vid rumstemperatur och utan magnetisk avskärmning, vilket förenklar de tekniska kraven för en fungerande kvantdator.
Photograph of the Oxford University team’s ion trap chip. Credit: Dr. Jochen Wolf and Dr. Tom Harty.
Den tidigare bästa felfrekvensen för en enskild kvantbit, som också uppnåddes av Oxford-teamet 2014, var 1 på 1 miljon. Gruppens expertis ledde till lanseringen av spinout-företaget Oxford Ionics 2019, som har blivit en etablerad ledare inom högpresterande plattformar för fångade jonkvantbitar.
Även om detta rekordresultat är en viktig milstolpe, varnar forskarteamet för att det är en del av en större utmaning. Kvantdatorer kräver att både enkel- och dubbelkvantbitar fungerar tillsammans. För närvarande har dubbelkvantbitar fortfarande betydligt högre felfrekvenser – cirka 1 på 2000 i de bästa demonstrationerna hittills – så att minska dessa kommer att vara avgörande för att bygga helt felfria kvantmaskiner.
Experimenten utfördes vid Oxfords universitets fysikavdelning av Molly Smith, Aaron Leu, Dr Mario Gely och professor David Lucas, tillsammans med en gästforskare, Dr Koichiro Miyanishi, från Osakas universitets centrum för kvantinformation och kvantbiologi.
Forskarna i Oxford ingår i UK Quantum Computing and Simulation (QCS) Hub, som var en del av det pågående brittiska nationella programmet för kvantteknik.
Mer information: M. C. Smith et al. , Single-qubit gates with errors at the 10−7 level, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/42w2-6ccy. På arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2412.04421
