Физика

Исследователи вышли на след "идеального" квантового кубита

Квантовые компьютеры способны решать чрезвычайно сложные задачи за рекордное время и поэтому могут продвинуть исследования во многих областях (криптография, искусственный интеллект, физика частиц и т.д.). Но на сегодняшний день немногие существующие квантовые компьютеры подвержены ошибкам и плохо подходят для практического применения. Поэтому ученые все еще пытаются найти оптимальную архитектуру кубитов, чтобы обойти эти проблемы. Команда из Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США, возможно, уже что-то придумала.

В то время как обычные компьютеры используют биты, равные 0 или 1, квантовый компьютер использует кубиты, которые могут одновременно быть 0 и 1 - благодаря свойству квантовой суперпозиции - таким образом, расширяя границы стандартных вычислений. В рамках нескольких текущих проектов предпринимаются попытки создать и поддерживать жизнеспособные кубиты, которые можно будет собрать в квантовую схему. Например, квантовый компьютер Quantum System One компании IBM, представленный в прошлом году, использует сверхпроводящие схемы (такой же подход выбрала компания Google). Другие используют фотонные кубиты или ионы в ловушках, удерживаемые электромагнитными полями.

Исследователи из Аргоннской национальной лаборатории представили совершенно новый подход, который, по их мнению, может привести к созданию "идеального кубита". Они разработали новую платформу для создания кубитов на основе одиночных изолированных электронов, удерживаемых на поверхности сверхчистого твердого неона в вакууме. Исследователи заморозили газ неон при очень низкой температуре, затем распылили электроны из нити накаливания лампочки на твердое тело, в итоге захватив один электрон. Эта очень перспективная система может стать идеальным строительным блоком для будущих квантовых компьютеров.

Инертный газ для ограничения возмущений

Для создания полезного квантового компьютера требования к качеству кубитов чрезвычайно высоки. Для начала "идеальный кубит" должен быть способен оставаться в одновременном состоянии (0 и 1) в течение длительного периода времени (порядка секунды), что ученые называют когерентностью. Во-вторых, кубит должен быть способен переходить из одного состояния в другое за чрезвычайно короткий промежуток времени, порядка наносекунды. Наконец, этот кубит должен быть способен быть связан с несколькими другими кубитами, чтобы они могли работать параллельно - это известно как запутывание или квантовая запутанность.

Основная трудность заключается в том, что кубиты очень чувствительны к возмущениям в окружающей среде. Поэтому команда из Аргоннской лаборатории решила поймать электрон в ловушку на поверхности сверхчистого твердого неона в вакууме - неон является инертным газом. "Благодаря этой инерции твердый неон может служить самым чистым твердым телом в вакууме для размещения и защиты кубитов от возмущений", — объясняет Дафей Джин, исследователь из Центра наноразмерных материалов и соавтор исследования, представляющего платформу.

В предыдущих исследованиях для улавливания электронов использовалась жидкая подставка на основе гелия, но колебания поверхности жидкости могли легко нарушить состояние электронов и тем самым поставить под угрозу работоспособность кубита. Твердая неоновая поверхность оказалась гораздо более устойчивой к помехам.

Команда отмечает, что еще одним ключевым компонентом их платформы для кубитов, который необходим для практического использования системы, является сверхпроводящий резонатор на кристалле (который можно сравнить с миниатюрной микроволновой печью): этот резонатор на самом деле предназначен для манипулирования захваченными электронами, в частности, для считывания состояния кубита. "Он концентрирует взаимодействие между кубитом и микроволновым сигналом. Это позволяет нам проводить измерения, указывающие на правильное функционирование кубита", - объясняет Катер Мерч, профессор физики Вашингтонского университета в Сент-Луисе и один из ведущих авторов статьи.

Производительность, близкая к самой современной

Исследователи сообщают, что им впервые удалось добиться сильной связи между изолированным электроном в почти вакуумной среде и одиночным микроволновым фотоном в резонаторе. Этот результат позволяет предположить, что возможно использовать микроволновые фотоны для управления отдельными электронными кубитами и соединить несколько из них вместе в квантовом процессоре.

Команда протестировала свою платформу в приборе, называемом холодильником разбавления, — криогенном устройстве, которое может достигать температуры, близкой к абсолютному нулю. Операции в реальном времени проводились с электронным кубитом для определения его квантовых свойств: исследователи сообщают, что время энергетической релаксации составляет 15 мкс, а время фазовой когерентности - 200 нс.

Конечно, учитывая требуемые температурные условия, мы еще далеки от действительно практического применения устройства, но полученные значения когерентности уже весьма достойны по сравнению с кубитами, разработанными с помощью других подходов. "Эти результаты показывают, что твердотельный электрон-на-неоновом кубите уже имеет производительность, близкую к самой современной для заряженного кубита", — отмечают исследователи в журнале Nature.

Эти испытания показали, что твердый неон обеспечивает надежную среду для электрона, с очень малым количеством электрических шумов, которые могут его нарушить. Но это только предварительные испытания, и теперь команда планирует оптимизировать свою платформу для дальнейшего улучшения времени когерентности. Кроме того, они надеются, что смогут быстро масштабировать его до нескольких сложных кубитов. Хотя они говорят, что их цель - не конкурировать с Google или IBM в этой области, они считают, что их технология может быть наиболее перспективной.

Этот новый подход не только позволяет создавать надежные и долговечные кубиты, но и имеет еще одно важное преимущество: простота конструкции должна привести к снижению производственных затрат. "Похоже, что идеальный кубит уже на горизонте", — заключает Дафей Джин.

Подписывайтесь на нас
Back to top button