Учёные предложили использовать звук вместо света для квантовых компьютеров будущего
Квантовые компьютеры будущего могут быть основаны на звуке, а не на свете, как считалось ранее. К такому выводу пришли исследователи из Инженерной школы молекулярной инженерии Притцкера Чикагского университета (UChicago PME). Результаты их новой работы, опубликованной в журнале Nature Physics, демонстрируют возможность детерминированного фазового контроля фононов — квантов механических колебаний, которые в макромире воспринимаются как звук.
В отличие от широко исследуемых фотонных систем, где многие процессы по своей природе вероятностны и несут элемент случайности, новая платформа позволяет осуществлять полный контроль над фазой фонона. Это достигнуто за счёт его рассеяния на сверхпроводящем кубите, который является квантовым аналогом классического бита, и опосредования электрического взаимодействия. Таким образом, данные, передаваемые с помощью фононов, могут обрабатываться в квантовом компьютере без фундаментальной случайности, присущей системам на основе фотонов.
Как пояснил профессор UChicago PME Эндрю Клеланд, детерминированный характер фононной платформы указывает на её потенциальное превосходство для квантовых вычислений перед фотонами, хотя многие вопросы ещё только предстоит изучить. Хун Цяо, ведущий автор исследования и постдокторант в лаборатории Клеланда, добавил, что наличие детерминированных квантовых операций даёт этому гибридному подходу существенное преимущество перед чисто линейными оптическими методами.
Ключевое различие между детерминистическими и вероятностными системами заключается в предсказуемости результата. В первом случае выполнение операции А всегда гарантированно приводит к результату Б. Во втором случае, который характерен для квантовой механики, результат операции не предопределён: действие А может с некоторой вероятностью привести к результату Б, В или другим, а успех операции можно оценить только после её завершения и проведения измерений.
Следующей важной задачей для учёных является увеличение времени жизни фононов, которое в текущей экспериментальной установке составляет микросекунды. Для выполнения полезных вычислительных задач его необходимо увеличить примерно в сто раз. Теоретически это достижимо, поскольку фононы, в отличие от фотонов, которые могут излучаться в окружающее пространство, существуют внутри материала и не «утекают» в вакуум. Их время жизни ограничивает именно связь с кубитом, которая необходима для управления, но которая, подобно прикосновению руки к звенящему колоколу, быстро гасит колебания. Как отметил соавтор работы Чжаоюй Ван из теоретической группы Цзян, в хорошо изолированных резонаторах фононы могут сохраняться до нескольких секунд.
Преодоление ограничения по времени жизни откроет путь к масштабированию системы и использованию десятков фононов, что, по словам профессора Клеланда, может привести к созданию полностью твердотельных квантовых компьютеров на чипе, основанных на управлении звуком.