Resultaterne af en undersøgelse af en ny superledende qubit, offentliggjort i tidsskriftet Nature Communications, viser
Superledende qubits
Traditionelle beregningsmodeller er afhængige affysiske løsninger svarende til den klassiske mekaniks love. Sådan fungerer de fleste moderne processorer f.eks. Kvanteberegning bruger fænomener, der opstår på skalaen af atomer og subatomære partikler til at kommunikere og behandle information.
Der er forskellige modeller for kvanteberegning,de mest populære involverer dog brugen af qubits og kvanteporte. Husk, at en qubit er et system med to mulige tilstande, som kan være i en af dem eller i en superposition af begge. En kvanteport er et grundlæggende element i et digitalt kredsløb, der udfører en elementær logisk operation. Den beskriver, hvordan tilstanden af qubits vil ændre sig, under hensyntagen til startværdierne, efter at have anvendt en bestemt lov på dem.
Da kvanteeffekter kun optræder iI ultra-små skalaer er det en ekstremt vanskelig opgave at skabe qubits og porte. Af de mange tilgange til at bygge nyttige kvantecomputere har superledende qubits vundet mest popularitet. For at skabe dem bruger ingeniører temperaturer tæt på det absolutte nulpunkt, hvor kvanteeffekter begynder at dukke op på makroniveau. For eksempel er det denne teknologi, der bruges af de nyligt introducerede IBM kvanteprocessorer, der indeholder rekord på 433 qubits.
bødkerpar og transmon
I en superleder er de fleste ladebærereer Cooper-par. Dette er en bundet tilstand af to elektroner, der interagerer gennem en fonon. Den har nul spin og en ladning svarende til to gange ladningen af en elektron. Det er disse partikler, der fungerer som en helhed, der bruges til kvanteberegning.
Den enkleste ladningsqubit eller blokCooper-par er et element, hvis tilstand bestemmer tilstedeværelsen eller fraværet af overskydende Cooper-par på øen. En sådan komponent er dannet af en lille superledende ø forbundet med et Josephson-kryds til et superledende reservoir. I dette kryds undertrykkes den kritiske strøm, og en tunnelstrøm løber gennem et tyndt isolerende eller ikke-superledende lag mellem de to superledere.
Tilstanden af qubit afhænger af antalletCooper par, der tunnelerede gennem forbindelsen. Tunneleffekten bruges til at designe kvante anharmoniske oscillatorer, der fungerer som qubits.
Skematisk diagram af et ladnings-qubit-kredsløb. Øen er dannet af en superledende elektrode mellem gate-kondensatoren og junction-kapacitansen. Billede: ETH
Charge qubits er lavet vhateknologier, der ligner dem, der bruges i mikroelektronik. Enhederne er typisk bygget på silicium- eller safirskiver ved hjælp af elektronstrålelitografi og tynd metalfilmfordampning.
I dette tilfælde dannes Josephson-kryds medved hjælp af skyggefordampning. Dette er en proces, hvor modermetallet skiftevis fordamper i to vinkler gennem en litografisk defineret maske i en elektronstråleresist. Dette resulterer i dannelsen af to overlappende lag af superledende metal, mellem hvilke der aflejres et tyndt lag isolator.
Selvom sådanne qubits er ret nemme at lave medVed at bruge moden teknologi, der bruges i klassiske computere, omfatter deres ulemper hurtig dekohærens (sammenbrud af sammenfiltring) under påvirkning af ekstern støj. For at kvantecomputere kan udføre nyttige beregninger, skal de oplysninger, de indeholder, være tæt på 100 % nøjagtige. Opladningsstøj forårsaget af ufuldkommenhed i det materielle miljø, hvori qubits er placeret, påvirker nøjagtigheden af oplysningerne negativt.
En IBM-enhed bestående af fire transmons. Billede: Jay M. Gambetta et al., Quantum Information
For at øge "levetiden" for sådanne qubits, iI 2007 færdiggjorde forskere fra Yale University systemet og skabte transmonen. Dette er en blok af Cooper-par, hvor Josephson-krydset desuden er shuntet med en stor kapacitiv kondensator. Faldet i følsomhed over for kapacitiv støj resulterede i en stigning i kohærenstiden fra 1-2 ns for en blok af Cooper-par til næsten 100 ns for en transmon.
Unimon er en ny superledende qubit
Kunstnerisk illustration af en unimon i en kvanteprocessor. Billede: Alexander Kakinen, Aalto Universitet
På trods af betydelige fremskridt i udviklingenKvanteberegning, qubit-design og -metoder, der i øjeblikket er i brug, giver ikke høj nok ydeevne til udbredt praktisk brug. Kompleksiteten af de implementerede beregninger er hovedsageligt begrænset af fejl i kvanteelementer med en og to qubits.
For at løse dette problem, forskereudviklet en ny type superledende qubit. De kombinerer øget anharmonicitet (afvigelse af systemets energi fra harmoniske "fluktuationer"), fuldstændig ufølsomhed over for DC-støj, reduceret følsomhed over for magnetisk støj og en simpel struktur.
Enheden består af en Josephsonen junction shuntet af en lineær induktor og en kondensator, der fungerer i en tilstand, hvor den induktive energi hovedsageligt kompenseres af Josephson-energien. Denne egenskab resulterer i et højt niveau af anharmonicitet med fuld immunitet over for lavfrekvent ladningsstøj og delvis beskyttelse mod flowstøj, bemærker forskerne.
For den eksperimentelle demonstration af unimon, videnskabsmænddesignet og fremstillet chips, der hver består af tre unimon qubits. De brugte niobium som superledende materiale, med undtagelse af Josephson-kontakter, hvor de superledende ledninger var lavet af aluminium.
Venstre:Mikroskopisk imiteret farvebillede af en siliciumchip indeholdende tre unimoner (blå) sammen med deres udlæsningshulrum (rød), drivledninger (grøn) og sondeforbindelsesledning (gul). Til højre: En forenklet eksperimentel opsætning, der bruges til at måle unimons. Billede: Eric Hyyppä et al., Nature Communications
Med deres enheder har videnskabsmænd opnåetnøjagtighed fra 99,8 % til 99,9 % for 13 ns single-qubit-gates på tre forskellige unimon-qubits. Forskerne bemærker, at på grund af den højere anharmonicitet eller ikke-linearitet end i transmons, kan unimons arbejdes hurtigere, hvilket resulterer i færre fejl pr. operation.
Unimons er meget enkle, men har mange fordele.foran transmonerne. Det faktum, at den allerførste unimon, der nogensinde er oprettet, fungerede så godt, åbner en masse plads til optimering og store gennembrud.
Mikko Mettonen, professor i kvanteteknologi ved Aalto Universitet
Forskere vil fortsætte med at arbejde på forbedringer idesign, materialer og unimon gate-tider for at overskride målet på 99,99% nøjagtighed for at skabe en nyttig kvantefordel og effektiv fejlkorrektion i praktiske enheder baseret på et stort antal qubits.
Læs mere:
Hovedteorien om menneskets oprindelse blev tilbagevist: hvor kom vi fra
Resultaterne af det første kræftlægemiddelforsøg offentliggjort
8 milliarder mennesker bor nu på Jorden: truer overbefolkning planeten?