Ученые физики из Копенгагенского университета, сообщили о достижении мирового масштаба в развитии квантовых технологий. Одновременно управляя несколькими спиновыми кубитами на одной квантовой пластине, они смогли преодолеть основное ограничение в построении квантового компьютера будущего. В результате ученые пришли к выводу, что в качестве основы для платформы твердотельных квантовых компьютеров целесообразно использовать полупроводниковые материалы.
Одной из основных проблем при создании квантового компьютера является управление несколькими кубитами одновременно. Это связано с тем, что на управление одного кубита негативно влияют управляющие импульсы, одновременно подаваемые на другие кубиты. Теперь квантовые физики сумели преодолеть это ограничение.
Сравнение размеров кубитов На рисунке показана разница в размерах между спиновыми кубитами и сверхпроводящими кубитами. (Копенгагенский университет, Институт Нильса Бора)
Мировые разработки в области изучения кубитов опираются на различные технологии. Если Google и IBM добились больших успехов в создании квантовых процессоров на основе технологии сверхпроводников, то команда молодых ученых института Нильса Бора, Копенгагенского университета (UCPH) делает ставку на полупроводниковые кубиты - известные как спиновые кубиты.
"В общих чертах, они состоят из спинов - электронов, удерживаемых в полупроводниковые наноструктуры, называемые квантовыми точками, так что отдельные спиновые состояния можно контролировать и связывать друг с другом", - рассказывает Федерико Феделе, кандидат наук UCPH.
Преимущество спиновых кубитов заключается в том, что они сохраняют свои квантовые состояния в течение длительного времени. Это позволяет им производить вычисления быстрее и точнее по сравнению с другими видами технологий. Кроме того, они настолько малы, что их можно разместить на кристалле в гораздо большем количестве, по сравнению с другими квантовыми системами. Чем больше кубитов, тем больше вычислительная мощность компьютера. Команда UCPH добилась прогресса в этом направлении, изготовив и задействовав четыре кубита в массиве 2×2 на одном чипе.
Федерико Феделе, Анасуа Чаттерджи и Фердинанд Куеммет Фото: Копенгагенский университет, Институт Нильса Бора
До сих пор квантовые технологии были направлены на создание все более совершенных кубитов. Теперь необходимо заставить их взаимодействовать между собой, поясняет доцент Анасуа Чаттерджи:
"Сейчас, когда мы имеем несколько достаточно качественных кубитов, задача состоит в том, чтобы соединить их в схемы, которые могут работать с большим количеством кубитов и одновременно иметь возможность корректировать ошибки квантовых вычислений. На данный момент исследования мы создали, блоки содержащие массивы из 2×2 или 3×3 кубитов. Проблема в том, что эти кубиты работают только последовательно".
Именно здесь датские физики и применили новую технологию. Квантовая схема, размером не больше бактерии, изготовленная из полупроводника - арсенида галлия, сыграла решающую роль.
"Новое в нашем чипе то, что мы можем одновременно управлять и измерять состояния всех кубитов. Это никогда ранее не демонстрировалось ни со спиновыми кубитами, ни с какими либо другими типами кубитов", - говорит Анасуа Чаттерджи, одна из ведущих авторов исследования.
Возможность одновременно управлять и измерять состояния очень важна для выполнения квантовых расчетов. Ведь если вам придется измерять кубиты в конце вычисления - то есть останавливать систему для получения результата - хрупкие квантовые состояния разрушатся. Поэтому необходимо, чтобы измерение было синхронным, тогда квантовые состояния всех кубитов будут закрываться одновременно. Если кубиты измеряются по очереди, то даже малейший шум окружающей среды может изменить квантовую информацию в системе.
Реализация новой схемы является важной ступенью на долгом пути к полупроводниковому квантовому компьютеру. "Чтобы получить более мощные квантовые процессоры, мы должны были не только увеличить количество кубитов, но и количество одновременных операций, чего мы и добились", - утверждает профессор Куеммет, руководитель исследования.
Сейчас исследовательская группа изучает возможности использования алгоритмов оптимизации и машинного обучения для автоматизации процесса настройки. Чтобы обеспечить возможность создания еще более крупных массивов кубитов, исследователи начали работать с деловыми партнерами над изготовлением следующего поколения квантовых чипов. Таким образом, совместные усилия специалистов в области информатики, микроэлектроники и квантовой физики помогут в будущем создать эффективный квантовый компьютер.
