Инновационный чип решает квантовую головную боль

Результат является хорошим предзнаменованием для использования полупроводниковых материалов в качестве платформы для твердотельных квантовых компьютеров.

На рисунке показана разница в размерах спиновых кубитов и сверхпроводящих кубитов. 

Одна из инженерных головных болей в глобальном марафоне по созданию большого функционального квантового компьютера – это одновременное управление многими базовыми устройствами памяти – кубитами. Это связано с тем, что на управление одним кубитом обычно негативно влияют одновременные управляющие импульсы, подаваемые на другой кубит. Теперь пара молодых квантовых физиков из Института Нильса Бора Копенгагенского университета, работающая в группе доц. Профессору Фердинанду Куэммету удалось преодолеть это препятствие.

Глобальные исследования кубитов основаны на различных технологиях. В то время как Google и IBM далеко продвинулись в разработке квантовых процессоров на основе сверхпроводниковой технологии, исследовательская группа UCPH делает ставку на полупроводниковые кубиты, известные как спиновые кубиты.

«Вообще говоря, они состоят из электронных спинов, захваченных в полупроводниковых наноструктурах, называемых квантовыми точками, так что отдельные спиновые состояния можно контролировать и связывать друг с другом», – объясняет Федерико Феделе.

Спиновые кубиты имеют то преимущество, что они сохраняют свое квантовое состояние в течение длительного времени. Это потенциально позволяет им выполнять более быстрые и безупречные вычисления, чем другие типы платформ. И они настолько малы, что на чип можно втиснуть гораздо больше из них, чем при использовании других подходов с использованием кубитов. Чем больше кубитов, тем выше вычислительная мощность компьютера. Команда UCPH расширила современный уровень техники, изготовив и управляя четырьмя кубитами в массиве 2 × 2 на одном кристалле.

Схемотехника – это «название игры»

До сих пор наибольшее внимание квантовые технологии уделяли созданию все более совершенных кубитов. Теперь речь идет о том, чтобы заставить их общаться друг с другом, – объясняет Анасуа Чаттерджи:

«Теперь, когда у нас есть несколько довольно хороших кубитов, игра соединяет их в схемы, которые могут управлять множеством кубитов, но при этом достаточно сложны, чтобы иметь возможность исправлять ошибки квантовых вычислений. К настоящему времени исследования спиновых кубитов дошли до того, что схемы содержат массивы из 2 × 2 или 3 × 3 кубитов. Проблема в том, что их кубиты обрабатываются только по одному ».

Именно здесь квантовая схема молодых квантовых физиков, сделанная из полупроводникового вещества арсенида галлия и размером не больше бактерии, имеет решающее значение:

«Новое и действительно важное свойство нашего чипа заключается в том, что мы можем одновременно управлять всеми кубитами и измерять их. Это никогда раньше не демонстрировалось ни со спиновыми кубитами, ни со многими другими типами кубитов », – говорит Чаттерджи, который является одним из двух ведущих авторов исследования, которое недавно было опубликовано в журнале Физический обзор X Quantum.

Для выполнения квантовых вычислений очень важно иметь возможность одновременно работать и проводить измерения. В самом деле, если вам нужно измерить кубиты в конце расчета, то есть остановить систему, чтобы получить результат, хрупкие квантовые состояния схлопываются. Таким образом, очень важно, чтобы измерения были синхронными, чтобы квантовые состояния всех кубитов отключились одновременно. Если кубиты измеряются один за другим, малейший фоновый шум может изменить квантовую информацию в системе.

Веха

Реализация новой схемы является важной вехой на долгом пути к полупроводниковому квантовому компьютеру.

«Чтобы получить более мощные квантовые процессоры, мы должны не только увеличить количество кубитов, но и количество одновременных операций, что мы и сделали», – утверждает профессор Куэммет, руководивший исследованием.

На данный момент одна из основных проблем заключается в том, что 48 управляющих электродов чипа необходимо настраивать вручную и поддерживать их постоянно, несмотря на дрейф окружающей среды, что является утомительной задачей для человека. Вот почему его исследовательская группа сейчас изучает, как можно использовать алгоритмы оптимизации и машинное обучение для автоматизации настройки. Чтобы создать еще большие массивы кубитов, исследователи начали работать с промышленными партнерами над созданием квантовых чипов следующего поколения. В целом, совместные усилия информатики, микроэлектроники и квантовой физики могут привести спиновые кубиты к следующим этапам.

О кубитах

Мозг квантового компьютера, который пытаются построить ученые, будет состоять из множества массивов кубитов, похожих на биты на микрочипах смартфонов. Они составят память машины.

Известное различие состоит в том, что в то время как обычный бит может хранить данные в состоянии 1 или 0, кубит может находиться в обоих состояниях одновременно – так называемая квантовая суперпозиция – что делает квантовые вычисления экспоненциально более мощными.

О микросхеме

Четыре спиновых кубита в чипе изготовлены из полупроводникового материала арсенида галлия. Между четырьмя кубитами расположена большая квантовая точка, которая соединяет четыре кубита друг с другом и которую исследователи могут использовать для настройки всех кубитов одновременно.