Резултатите от изследване на нов свръхпроводящ кубит, публикувано в списанието Nature Communications, показват
Свръхпроводящи кубити
Традиционните изчислителни модели разчитат нафизически решения, отговарящи на законите на класическата механика. Така работят например повечето съвременни процесори. Квантовото изчисление използва явления, които се случват в мащаба на атоми и субатомни частици, за да комуникират и обработват информация.
Има различни модели на квантово изчисление,най-популярните обаче включват използването на кубити и квантови порти. Спомнете си, че кубитът е система с две възможни състояния, които могат да бъдат в едно от тях или в суперпозиция на двете. Квантовият гейт е основен елемент на цифрова схема, която изпълнява елементарна логическа операция. Той описва как ще се промени състоянието на кубитите, като се вземат предвид първоначалните стойности, след прилагане на определен закон към тях.
Тъй като квантовите ефекти се появяват само вВ свръхмалки мащаби създаването на кубити и порти е изключително трудна задача. От многото подходи за изграждане на полезни квантови компютри, свръхпроводящите кубити са придобили най-голяма популярност. За да ги създадат, инженерите използват температури, близки до абсолютната нула, при които квантовите ефекти започват да се проявяват на макро ниво. Например, именно тази технология се използва от наскоро представените квантови процесори на IBM, съдържащи рекордните 433 кубита.
купър двойка и трансмон
В свръхпроводник повечето носители на зарядса двойки Купър. Това е свързано състояние на два електрона, взаимодействащи чрез фонон. Той има нулев спин и заряд, равен на два пъти заряда на електрона. Именно тези частици, действащи като едно цяло, се използват за квантово изчисление.
Най-простият кюбит за зареждане или блокДвойките Купър са елемент, чието състояние определя наличието или отсъствието на излишни двойки Купър в острова. Такъв компонент се образува от малък свръхпроводящ остров, свързан чрез Джоузефсонов преход в свръхпроводящ резервоар. В това съединение критичният ток се потиска и тунелен ток протича през тънък изолационен или несвръхпроводящ слой между двата свръхпроводника.
Състоянието на кубита зависи от числотоКупър двойки, които тунелираха през връзката. Ефектът на тунелиране се използва за проектиране на квантови анхармонични осцилатори, които действат като кубити.
Схематична диаграма на зарядна кубитна верига. Островът се формира от свръхпроводящ електрод между затворния кондензатор и капацитета на прехода. Изображение: ETH
Зарядните кубити се правят с помощта натехнологии, подобни на тези, използвани в микроелектрониката. Устройствата обикновено са изградени върху силициеви или сапфирени пластини с помощта на електронно-лъчева литография и изпаряване на тънък метален филм.
В този случай се образуват Джоузефсонови връзки сизползвайки изпаряване на сенките. Това е процес, при който основният метал се изпарява последователно под два ъгъла през литографски дефинирана маска в електронен лъчев резист. Това води до образуването на два припокриващи се слоя от свръхпроводящ метал, между които е отложен тънък слой изолатор.
Въпреки че такива кубити са доста лесни за правенеИзползвайки зряла технология, използвана в класическите компютри, техните недостатъци включват бърза декохерентност (разрушаване на заплитането) под въздействието на външен шум. За да могат квантовите компютри да извършват полезни изчисления, информацията, която съдържат, трябва да е близо до 100% точна. Шумът от зареждане, причинен от несъвършенството на материалната среда, в която се намират кубитите, влияе отрицателно върху точността на информацията.
IBM устройство, състоящо се от четири трансмона. Изображение: Джей М. Гамбета и др., Квантова информация
За да се увеличи "животът" на такива кубити, вПрез 2007 г. изследователи от Йейлския университет финализираха системата и създадоха трансмон. Това е блок от двойки на Купър, в който Джозефсоновите преходи са допълнително шунтирани с голям капацитивен кондензатор. Намаляването на чувствителността към капацитивен шум доведе до увеличаване на времето за кохерентност от 1–2 ns за блок от двойки Cooper до почти 100 ns за трансмон.
Unimon е нов свръхпроводящ кубит
Художествена илюстрация на унимон в квантов процесор. Изображение: Александър Какинен, Университет Аалто
Въпреки значителния напредък в развитиетоКвантовото изчисление, дизайнът на кубита и използваните в момента методи не осигуряват достатъчно висока производителност за широко разпространено практическо използване. Сложността на реализираните изчисления е ограничена главно от грешки в квантовите елементи с един и два кубита.
За да решат този проблем, изследователитеразработи нов тип свръхпроводящ кубит. Те съчетават повишена анхармоничност (отклонение на енергията на системата от хармонични "флуктуации"), пълна нечувствителност към DC шум, намалена чувствителност към магнитен шум и проста структура.
Устройството се състои от един Джозефсонпреход, шунтиран от линеен индуктор, и кондензатор, работещ в режим, в който индуктивната енергия се компенсира главно от енергията на Джоузефсън. Това свойство води до високо ниво на анхармоничност с пълен имунитет към нискочестотен шум от зареждане и частична защита от шума на потока, отбелязват изследователите.
За експерименталната демонстрация на унимон, ученипроектирани и произведени чипове, всеки от които се състои от три unimon кубита. Те използват ниобий като свръхпроводящ материал, с изключение на контактите на Джоузефсън, в които свръхпроводящите проводници са направени от алуминий.
Наляво:Микроскопично изображение с изкуствен цвят на силициев чип, съдържащ три унимона (синьо) заедно с техните кухини за отчитане (червено), задвижващи линии (зелено) и линия за свързване на сонда (жълто). Вдясно: Опростена експериментална настройка, използвана за измерване на унимони. Изображение: Eric Hyyppä и др., Nature Communications
Със своите устройства учените са постигналиточност от 99,8% до 99,9% за 13 ns еднокубитови гейтове на три различни unimon кубита. Изследователите отбелязват, че поради по-високата анхармоничност или нелинейност, отколкото при трансмоните, върху унимоните може да се работи по-бързо, което води до по-малко грешки на операция.
Unimons са много прости, но имат много предимства.пред трансмоните. Фактът, че първият създаван някога unimon работи толкова добре, отваря много място за оптимизация и големи пробиви.
Мико Метонен, професор по квантова технология в университета Аалто
Изследователите ще продължат да работят върху подобрения вдизайн, материали и времена на пропускане на unimon, за да надхвърлите целта от 99,99% точност, за да създадете полезно квантово предимство и ефективна корекция на грешки в практически устройства, базирани на голям брой кубити.
Прочетете още:
Основната теория за произхода на човека беше опровергана: откъде сме дошли
Публикувани са резултатите от първото изпитване на лекарство срещу рак
8 милиарда души сега живеят на Земята: заплашва ли планетата пренаселеността?