Ukazují výsledky studie nového supravodivého qubitu publikované v časopise Nature Communications
Supravodivé qubity
Tradiční výpočetní modely spoléhají nafyzikální řešení odpovídající zákonům klasické mechaniky. Takto funguje například většina moderních procesorů. Kvantové výpočty využívají ke komunikaci a zpracování informací jevy, které se vyskytují v měřítku atomů a subatomárních částic.
Existují různé modely kvantového počítání,ty nejoblíbenější však zahrnují použití qubitů a kvantových bran. Připomeňme, že qubit je systém se dvěma možnými stavy, které mohou být v jednom z nich nebo v superpozici obou. Kvantové hradlo je základním prvkem digitálního obvodu, který provádí elementární logickou operaci. Popisuje, jak se změní stav qubitů s přihlédnutím k počátečním hodnotám poté, co na ně aplikujeme určitý zákon.
Protože kvantové efekty se objevují pouze vV ultra malých měřítcích je vytváření qubitů a bran extrémně obtížným úkolem. Z mnoha přístupů ke stavbě užitečných kvantových počítačů získaly největší popularitu supravodivé qubity. K jejich vytvoření používají inženýři teploty blízké absolutní nule, při kterých se začínají objevovat kvantové efekty na makroúrovni. Například právě tuto technologii využívají nedávno představené kvantové procesory IBM obsahující rekordních 433 qubitů.
Cooper pár a transmon
V supravodiči je většina nosičů nábojejsou Cooperovy páry. Toto je vázaný stav dvou elektronů interagujících přes fonon. Má nulový spin a náboj rovný dvojnásobku náboje elektronu. Právě tyto částice, působící jako celek, se používají pro kvantové výpočty.
Nejjednodušší nabíjecí qubit neboli blokCooperovy páry jsou prvkem, jehož stav určuje přítomnost nebo nepřítomnost nadbytečných Cooperových párů na ostrově. Takovou součástku tvoří maličký supravodivý ostrůvek spojený Josephsonovým přechodem do supravodivého rezervoáru. V tomto spojení je kritický proud potlačen a tunelový proud protéká tenkou izolační nebo nesupravodivou vrstvou mezi dvěma supravodiči.
Stav qubitu závisí na čísleCooperovy páry, které prorazily spojení. Tunelový efekt se používá k návrhu kvantových anharmonických oscilátorů, které fungují jako qubity.
Schéma zapojení nábojového qubitového obvodu. Ostrůvek je tvořen supravodivou elektrodou mezi hradlovým kondenzátorem a přechodovou kapacitou. Obrázek: ETH
Nabíjecí qubity jsou vyrobeny pomocítechnologie podobné těm, které se používají v mikroelektronice. Zařízení jsou typicky postavena na křemíkových nebo safírových plátcích pomocí elektronové litografie a odpařování tenkého kovového filmu.
V tomto případě se Josephsonovy spoje tvoří spomocí stínového odpařování. Jde o proces, při kterém se základní kov střídavě odpařuje pod dvěma úhly přes litograficky definovanou masku v rezistu elektronového paprsku. To má za následek vytvoření dvou překrývajících se vrstev supravodivého kovu, mezi kterými je uložena tenká vrstva izolantu.
I když se takové qubity dělají docela snadnoPři použití vyspělé technologie používané v klasických počítačích je jejich nevýhodou rychlá dekoherence (rozpad zapletení) vlivem vnějšího šumu. Aby kvantové počítače mohly provádět užitečné výpočty, informace, které obsahují, musí být téměř 100% přesné. Nabíjecí šum způsobený nedokonalostí materiálového prostředí, ve kterém jsou qubity umístěny, negativně ovlivňuje přesnost informací.
Zařízení IBM sestávající ze čtyř transmonů. Obrázek: Jay M. Gambetta a kol., Quantum Information
Pro zvýšení "životnosti" takových qubitů, inV roce 2007 výzkumníci z Yale University dokončili systém a vytvořili transmon. Jedná se o blok Cooperových párů, ve kterém jsou Josephsonovy přechody navíc shuntovány velkým kapacitním kondenzátorem. Snížení citlivosti na kapacitní šum mělo za následek zvýšení doby koherence z 1–2 ns pro blok Cooperových párů na téměř 100 ns pro transmon.
Unimon je nový supravodivý qubit
Umělecká ilustrace unimonu v kvantovém procesoru. Obrázek: Aleksandr Kakinen, Univerzita Aalto
I přes výrazný pokrok ve vývojiKvantové výpočty, qubitové návrhy a metody, které se v současnosti používají, neposkytují dostatečně vysoký výkon pro široké praktické použití. Složitost realizovaných výpočtů omezují především chyby v kvantových prvcích s jedním a dvěma qubity.
K vyřešení tohoto problému, výzkumnícivyvinul nový typ supravodivého qubitu. Kombinují zvýšenou anharmonicitu (odchylku energie systému od harmonických „výkyvů“), úplnou necitlivost na stejnosměrný šum, sníženou citlivost na magnetický šum a jednoduchou strukturu.
Zařízení se skládá z jednoho Josephsonapřechodem posunutým lineárním induktorem a kondenzátorem pracujícím v režimu, ve kterém je indukční energie převážně kompenzována Josephsonovou energií. Tato vlastnost má za následek vysokou úroveň anharmonie s plnou imunitou vůči nízkofrekvenčnímu nábojovému šumu a částečnou ochranu před hlukem proudění, poznamenávají vědci.
Pro experimentální demonstraci unimona, vědcinavržené a vyrobené čipy, z nichž každý se skládá ze tří unimon qubitů. Jako supravodivý materiál použili niob, s výjimkou kontaktů Josephson, ve kterých byly supravodivé vodiče vyrobeny z hliníku.
Vlevo, odjet:Mikroskopický snímek křemíkového čipu v umělých barvách obsahující tři unimony (modré) spolu s jejich čtecími dutinami (červená), řídicími vedeními (zelené) a spojovacím vedením sondy (žluté). Vpravo: Zjednodušené experimentální nastavení používané k měření unimonů. Obrázek: Eric Hyyppä et al., Nature Communications
S jejich zařízeními vědci dosáhlipřesnost od 99,8 % do 99,9 % pro 13 ns single-qubit gates na třech různých unimon qubitech. Výzkumníci poznamenávají, že díky vyšší anharmonicitě nebo nelinearitě než u transmonů lze s unimony pracovat rychleji, což má za následek méně chyb na operaci.
Unimoni jsou velmi jednoduché, ale mají mnoho výhod.před transmony. Skutečnost, že vůbec první vytvořený unimon fungoval tak dobře, otevírá velký prostor pro optimalizaci a zásadní průlomy.
Mikko Mettonen, profesor kvantové technologie na Aalto University
Vědci budou nadále pracovat na vylepšeníchdesign, materiály a časy brány unimon, aby překročily cíl 99,99% přesnosti a vytvořily užitečnou kvantovou výhodu a účinnou korekci chyb v praktických zařízeních založených na velkém počtu qubitů.
Přečtěte si více:
Hlavní teorie o původu člověka byla vyvrácena: odkud jsme přišli
Zveřejněny výsledky první studie léků na rakovinu
Na Zemi nyní žije 8 miliard lidí: ohrožuje planetu přelidnění?