Τα αποτελέσματα μιας μελέτης ενός νέου υπεραγώγιμου qubit, που δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Nature Communications, δείχνουν
Υπεραγώγιμα qubits
Τα παραδοσιακά υπολογιστικά μοντέλα βασίζονται σεφυσικές λύσεις που αντιστοιχούν στους νόμους της κλασικής μηχανικής. Έτσι λειτουργούν οι περισσότεροι σύγχρονοι επεξεργαστές, για παράδειγμα. Ο κβαντικός υπολογισμός χρησιμοποιεί φαινόμενα που συμβαίνουν στην κλίμακα ατόμων και υποατομικών σωματιδίων για την επικοινωνία και την επεξεργασία πληροφοριών.
Υπάρχουν διάφορα μοντέλα κβαντικών υπολογιστών,Ωστόσο, οι πιο δημοφιλείς περιλαμβάνουν τη χρήση qubits και κβαντικών πυλών. Θυμηθείτε ότι ένα qubit είναι ένα σύστημα με δύο πιθανές καταστάσεις, οι οποίες μπορεί να βρίσκονται σε μία από αυτές ή σε υπέρθεση και των δύο. Μια κβαντική πύλη είναι ένα βασικό στοιχείο ενός ψηφιακού κυκλώματος που εκτελεί μια στοιχειώδη λογική πράξη. Περιγράφει πώς θα αλλάξει η κατάσταση των qubits, λαμβάνοντας υπόψη τις αρχικές τιμές, μετά την εφαρμογή ενός συγκεκριμένου νόμου σε αυτά.
Δεδομένου ότι τα κβαντικά φαινόμενα εμφανίζονται μόνο σεΣε εξαιρετικά μικρές κλίμακες, η δημιουργία qubits και πυλών είναι ένα εξαιρετικά δύσκολο έργο. Από τις πολλές προσεγγίσεις για την κατασκευή χρήσιμων κβαντικών υπολογιστών, τα υπεραγώγιμα qubits έχουν κερδίσει τη μεγαλύτερη δημοτικότητα. Για να τα δημιουργήσουν, οι μηχανικοί χρησιμοποιούν θερμοκρασίες κοντά στο απόλυτο μηδέν, στις οποίες αρχίζουν να εμφανίζονται κβαντικά φαινόμενα σε μακροεπίπεδο. Για παράδειγμα, αυτή η τεχνολογία χρησιμοποιείται από τους κβαντικούς επεξεργαστές της IBM που εισήχθησαν πρόσφατα και περιέχουν ένα ρεκόρ 433 qubits.
cooper ζευγάρι και transmon
Σε έναν υπεραγωγό, οι περισσότεροι φορείς φορτίουείναι ζεύγη Cooper. Αυτή είναι μια δεσμευμένη κατάσταση δύο ηλεκτρονίων που αλληλεπιδρούν μέσω ενός φωνονίου. Έχει μηδενικό σπιν και φορτίο ίσο με το διπλάσιο φορτίο ενός ηλεκτρονίου. Αυτά τα σωματίδια, ενεργώντας στο σύνολό τους, είναι που χρησιμοποιούνται για τον κβαντικό υπολογισμό.
Το απλούστερο qubit φόρτισης ή μπλοκΤα ζεύγη Cooper είναι ένα στοιχείο του οποίου η κατάσταση καθορίζει την παρουσία ή την απουσία περίσσειας ζευγών Cooper στο νησί. Ένα τέτοιο στοιχείο σχηματίζεται από ένα μικροσκοπικό υπεραγώγιμο νησί που συνδέεται με μια διασταύρωση Josephson σε μια υπεραγώγιμη δεξαμενή. Σε αυτή τη διασταύρωση, το κρίσιμο ρεύμα καταστέλλεται και ένα ρεύμα σήραγγας ρέει μέσα από ένα λεπτό μονωτικό ή μη υπεραγώγιμο στρώμα μεταξύ των δύο υπεραγωγών.
Η κατάσταση του qubit εξαρτάται από τον αριθμόΖεύγη Cooper που διέσχισαν τη σύνδεση. Το φαινόμενο σήραγγας χρησιμοποιείται για τον σχεδιασμό κβαντικών αναρμονικών ταλαντωτών που λειτουργούν ως qubits.
Σχηματικό διάγραμμα κυκλώματος qubit φόρτισης. Η νησίδα σχηματίζεται από ένα υπεραγώγιμο ηλεκτρόδιο μεταξύ του πυκνωτή πύλης και της χωρητικότητας διασταύρωσης. Εικόνα: ETH
Τα qubit φόρτισης κατασκευάζονται χρησιμοποιώνταςτεχνολογίες παρόμοιες με αυτές που χρησιμοποιούνται στη μικροηλεκτρονική. Οι συσκευές είναι συνήθως κατασκευασμένες σε γκοφρέτες πυριτίου ή ζαφείρι χρησιμοποιώντας λιθογραφία δέσμης ηλεκτρονίων και εξάτμιση λεπτού φιλμ μετάλλου.
Σε αυτή την περίπτωση, σχηματίζονται συνδέσεις Josephson μεχρησιμοποιώντας σκιώδη εξάτμιση. Αυτή είναι μια διαδικασία κατά την οποία το μητρικό μέταλλο εξατμίζεται εναλλάξ σε δύο γωνίες μέσω μιας λιθογραφικά καθορισμένης μάσκας σε μια αντίσταση δέσμης ηλεκτρονίων. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα το σχηματισμό δύο επικαλυπτόμενων στρωμάτων υπεραγώγιμου μετάλλου, μεταξύ των οποίων εναποτίθεται ένα λεπτό στρώμα μονωτή.
Αν και τέτοια qubits είναι αρκετά εύκολο να γίνουνΧρησιμοποιώντας την ώριμη τεχνολογία που χρησιμοποιείται σε κλασικούς υπολογιστές, τα μειονεκτήματά τους περιλαμβάνουν την ταχεία αποσυνοχή (διάσπαση της εμπλοκής) υπό την επίδραση εξωτερικού θορύβου. Για να μπορούν οι κβαντικοί υπολογιστές να εκτελούν χρήσιμους υπολογισμούς, οι πληροφορίες που περιέχουν πρέπει να είναι σχεδόν 100% ακριβείς. Ο θόρυβος φόρτισης που προκαλείται από την ατέλεια του υλικού περιβάλλοντος στο οποίο βρίσκονται τα qubit επηρεάζει αρνητικά την ακρίβεια των πληροφοριών.
Μια συσκευή IBM που αποτελείται από τέσσερα transmon. Εικόνα: Jay M. Gambetta et al., Quantum Information
Για να αυξήσετε τη «ζωή» τέτοιων qubits, σεΤο 2007, ερευνητές από το Πανεπιστήμιο του Yale οριστικοποίησαν το σύστημα και δημιούργησαν το transmon. Αυτό είναι ένα μπλοκ ζευγών Cooper, στο οποίο οι συνδέσεις Josephson διακλαδίζονται επιπλέον με έναν μεγάλο χωρητικό πυκνωτή. Η μείωση της ευαισθησίας στον χωρητικό θόρυβο οδήγησε σε αύξηση του χρόνου συνοχής από 1–2 ns για ένα μπλοκ ζευγών Cooper σε σχεδόν 100 ns για ένα transmon.
Το Unimon είναι ένα νέο υπεραγώγιμο qubit
Καλλιτεχνική απεικόνιση ενός unimon σε έναν κβαντικό επεξεργαστή. Εικόνα: Aleksandr Kakinen, Πανεπιστήμιο Aalto
Παρά τη σημαντική πρόοδο στην ανάπτυξηΟι κβαντικοί υπολογιστές, τα σχέδια qubit και οι μέθοδοι που χρησιμοποιούνται αυτήν τη στιγμή δεν παρέχουν αρκετά υψηλή απόδοση για ευρεία πρακτική χρήση. Η πολυπλοκότητα των υπολογισμών που υλοποιούνται περιορίζεται κυρίως από σφάλματα σε κβαντικά στοιχεία με ένα και δύο qubits.
Για να λύσουν αυτό το πρόβλημα, οι ερευνητέςανέπτυξε έναν νέο τύπο υπεραγώγιμου qubit. Συνδυάζουν αυξημένη αναρμονικότητα (απόκλιση της ενέργειας του συστήματος από αρμονικές «διακυμάνσεις»), πλήρη αναισθησία στο θόρυβο DC, μειωμένη ευαισθησία στον μαγνητικό θόρυβο και απλή δομή.
Η συσκευή αποτελείται από έναν Josephsonμια διασταύρωση που διακλαδίζεται από ένα γραμμικό πηνίο και ένας πυκνωτής που λειτουργεί σε τρόπο λειτουργίας στον οποίο η επαγωγική ενέργεια αντισταθμίζεται κυρίως από την ενέργεια Josephson. Αυτή η ιδιότητα οδηγεί σε υψηλό επίπεδο αναρμονικότητας με πλήρη ανοσία σε θόρυβο φόρτισης χαμηλής συχνότητας και μερική προστασία από το θόρυβο ροής, σημειώνουν οι ερευνητές.
Για την πειραματική επίδειξη του unimon, οι επιστήμονεςσχεδίασε και κατασκεύασε τσιπ, το καθένα αποτελούμενο από τρία unimon qubits. Χρησιμοποίησαν νιόβιο ως υπεραγώγιμο υλικό, με εξαίρεση τις επαφές Josephson, στις οποίες τα υπεραγώγιμα ηλεκτρόδια ήταν κατασκευασμένα από αλουμίνιο.
Αριστερά:Μικροσκοπική εικόνα ψεύτικο χρώματος ενός τσιπ πυριτίου που περιέχει τρία μονόφωνα (μπλε) μαζί με τις κοιλότητες ανάγνωσης (κόκκινο), τις γραμμές κίνησης (πράσινες) και τη γραμμή σύνδεσης ανιχνευτή (κίτρινο). Δεξιά: Μια απλοποιημένη πειραματική ρύθμιση που χρησιμοποιείται για τη μέτρηση μονομονών. Εικόνα: Eric Hyyppä et al., Nature Communications
Με τις συσκευές τους οι επιστήμονες κατάφερανακρίβεια από 99,8% έως 99,9% για πύλες ενός qubit 13 ns σε τρία διαφορετικά unimon qubits. Οι ερευνητές σημειώνουν ότι λόγω της υψηλότερης αναρμονικότητας ή μη γραμμικότητας από ό,τι στα transmon, τα unimons μπορούν να εργαστούν πιο γρήγορα, με αποτέλεσμα λιγότερα σφάλματα ανά λειτουργία.
Τα Unimons είναι πολύ απλά αλλά έχουν πολλά πλεονεκτήματα.μπροστά στα transmon. Το γεγονός ότι το πρώτο unimon που δημιουργήθηκε ποτέ λειτούργησε τόσο καλά ανοίγει πολλά περιθώρια για βελτιστοποίηση και σημαντικές ανακαλύψεις.
Mikko Mettonen, Καθηγητής Κβαντικής Τεχνολογίας στο Πανεπιστήμιο Aalto
Οι ερευνητές θα συνεχίσουν να εργάζονται για βελτιώσεις σεσχεδιασμός, υλικά και χρόνοι πύλης unimon να υπερβούν τον στόχο της ακρίβειας 99,99% για να δημιουργήσουν ένα χρήσιμο κβαντικό πλεονέκτημα και αποτελεσματική διόρθωση σφαλμάτων σε πρακτικές συσκευές που βασίζονται σε μεγάλο αριθμό qubits.
Διαβάστε περισσότερα:
Διαψεύστηκε η κύρια θεωρία για την καταγωγή του ανθρώπου: από πού ήρθαμε
Δημοσιεύτηκαν τα αποτελέσματα της πρώτης δοκιμής αντικαρκινικών φαρμάκων
8 δισεκατομμύρια άνθρωποι ζουν τώρα στη Γη: ο υπερπληθυσμός απειλεί τον πλανήτη;