Nature Communications -lehdessä julkaistun uuden suprajohtavan kubitin tutkimuksen tulokset osoittavat
Suprajohtavat kubitit
Perinteiset laskennalliset mallit luottavatfyysisiä ratkaisuja, jotka vastaavat klassisen mekaniikan lakeja. Näin toimivat esimerkiksi useimmat nykyaikaiset prosessorit. Kvanttilaskenta käyttää atomien ja subatomisten hiukkasten mittakaavassa esiintyviä ilmiöitä tiedon välittämiseen ja käsittelyyn.
Kvanttilaskennasta on olemassa erilaisia malleja,suosituimpia ovat kuitenkin kubittien ja kvanttiporttien käyttö. Muista, että kubitti on järjestelmä, jossa on kaksi mahdollista tilaa, jotka voivat olla yhdessä niistä tai molempien superpositiossa. Kvanttiportti on digitaalisen piirin peruselementti, joka suorittaa loogisen alkeisoperaation. Se kuvaa kuinka kubittien tila muuttuu alkuarvot huomioiden, kun niihin on sovellettu tiettyä lakia.
Koska kvanttiefektit näkyvät vainErittäin pienissä mittakaavassa kubittien ja porttien luominen on erittäin vaikea tehtävä. Hyödyllisten kvanttitietokoneiden rakentamisen monista lähestymistavoista suprajohtavat kubitit ovat saavuttaneet suosituimman. Niiden luomiseen insinöörit käyttävät lämpötiloja, jotka ovat lähellä absoluuttista nollaa, jolloin kvanttiefektit alkavat näkyä makrotasolla. Esimerkiksi hiljattain esitellyt IBM:n kvanttiprosessorit, jotka sisältävät ennätysmäärän 433 kubittia, toimivat tämän tekniikan parissa.
cooper pariskunta ja transmon
Suprajohteessa suurin osa varauksenkantajistaovat Cooper-pareja. Tämä on kahden elektronin sidottu tila, jotka ovat vuorovaikutuksessa fononin kautta. Sillä on nolla spin ja varaus on kaksi kertaa elektronin varaus. Juuri näitä hiukkasia, jotka toimivat kokonaisuutena, käytetään kvanttilaskentaan.
Yksinkertaisin latauskubitti tai lohkoCooper-parit on elementti, jonka tila määrittää ylimääräisten Cooper-parien läsnäolon tai puuttumisen saarella. Tällainen komponentti muodostuu pienestä suprajohtavasta saaresta, joka on yhdistetty Josephson-liitoksella suprajohtavaksi säiliöksi. Tässä risteyksessä kriittinen virta vaimenee ja tunnelivirta kulkee ohuen eristävän tai ei-suprajohteen kerroksen läpi kahden suprajohteen välissä.
Kubitin tila riippuu numerostaCooper-parit, jotka tunnelivat yhteyden läpi. Tunnelointiefektiä käytetään kvanttianharmonisten oskillaattorien suunnitteluun, jotka toimivat kubitteina.
Kaaviokuva latauskubittipiiristä. Saaren muodostaa suprajohtava elektrodi hilakondensaattorin ja liitoskapasitanssin välillä. Kuva: ETH
Latauskubitit tehdään käyttämällätekniikoita, jotka ovat samankaltaisia kuin mikroelektroniikassa. Laitteet on tyypillisesti rakennettu pii- tai safiirikiekkojen päälle käyttämällä elektronisuihkulitografiaa ja ohutmetallikalvohaihdutusta.
Tässä tapauksessa Josephson-liitokset muodostetaan kanssakäyttämällä varjohaihdutusta. Tämä on prosessi, jossa perusmetalli haihtuu vuorotellen kahdessa kulmassa litografisesti määritellyn maskin läpi elektronisuihkuresistissä. Tämä johtaa kahden päällekkäisen suprajohtavan metallin kerroksen muodostumiseen, joiden väliin kerrostetaan ohut kerros eristettä.
Vaikka tällaisia kubitteja on melko helppo tehdäKlassisissa tietokoneissa käytettyä kypsää teknologiaa käytettäessä niiden haittoja ovat nopea dekoherenssi (kietoutumisen hajoaminen) ulkoisen kohinan vaikutuksesta. Jotta kvanttitietokoneet voivat suorittaa hyödyllisiä laskelmia, niiden sisältämien tietojen on oltava lähes 100 % tarkkoja. Latausmelu, joka johtuu materiaaliympäristön epätäydellisyydestä, jossa kubitit sijaitsevat, vaikuttaa negatiivisesti tiedon tarkkuuteen.
IBM-laite, joka koostuu neljästä transmonista. Kuva: Jay M. Gambetta et ai., Quantum Information
Pidentääksesi tällaisten kubittien "ikää", sisäänVuonna 2007 Yalen yliopiston tutkijat viimeistelivät järjestelmän ja loivat transmonin. Tämä on Cooper-parien lohko, jossa Josephson-liitokset on lisäksi ohitettu suurella kapasitiivisella kondensaattorilla. Herkkyyden pieneneminen kapasitiiviselle kohinalle johti koherenssiajan pidentymiseen 1–2 ns:sta Cooper-parien lohkossa lähes 100 ns:iin transmonilla.
Unimon on uusi suprajohtava kubitti
Taiteellinen esimerkki unimonista kvanttiprosessorissa. Kuva: Alexander Kakinen, Aalto-yliopisto
Huolimatta merkittävästä kehityksen edistymisestäTällä hetkellä käytössä oleva kvanttilaskenta, qubit-mallit ja menetelmät eivät tarjoa riittävän korkeaa suorituskykyä laajaan käytännön käyttöön. Toteutettujen laskelmien monimutkaisuutta rajoittavat pääasiassa virheet yhden ja kahden qubitin kvanttielementeissä.
Tämän ongelman ratkaisemiseksi tutkijatkehitti uudentyyppisen suprajohtavan kubitin. Niissä yhdistyvät lisääntynyt epäharmonisuus (järjestelmän energian poikkeama harmonisista "vaihteluista"), täydellinen epäherkkyys DC-kohinalle, vähentynyt herkkyys magneettiselle melulle ja yksinkertainen rakenne.
Laite koostuu yhdestä Josephsonistalineaarisen induktorin shunttama liitos ja kondensaattori, joka toimii tilassa, jossa induktiivinen energia kompensoidaan pääasiassa Josephsonin energialla. Tämä ominaisuus johtaa korkeaan anharmonisuustasoon, jossa on täysi immuniteetti matalataajuuksisia latausmeluja vastaan ja osittainen suojaus virtausmelua vastaan, tutkijat huomauttavat.
Unimonin kokeelliseen esittelyyn, tutkijatsuunniteltuja ja valmistettuja siruja, joista jokainen koostuu kolmesta unimoni-kubitista. He käyttivät niobiumia suprajohtavana materiaalina, lukuun ottamatta Josephson-koskettimia, joissa suprajohtavat johtimet oli valmistettu alumiinista.
Vasen:Valevärinen mikroskooppinen kuva piisirusta, joka sisältää kolme unimonia (sininen) sekä niiden lukuontelot (punainen), käyttölinjat (vihreä) ja anturin liitäntälinja (keltainen). Oikealla: Yksinkertaistettu kokeellinen kokoonpano, jota käytetään unimonien mittaamiseen. Kuva: Eric Hyyppä et al., Nature Communications
Tiedemiehet ovat saavuttaneet laitteillaantarkkuus 99,8 %:sta 99,9 %:iin 13 ns:n yhden kubitin porteille kolmella eri unimonikubitilla. Tutkijat huomauttavat, että transmoneihin verrattuna suuremman anharmonisuuden tai epälineaarisuuden vuoksi unimoneja voidaan työstää nopeammin, mikä johtaa vähemmän virheisiin operaatiota kohden.
Unimonit ovat hyvin yksinkertaisia, mutta niillä on monia etuja.transmonien edessä. Se, että ensimmäinen koskaan luotu unimon toimi niin hyvin, avaa paljon tilaa optimoinnille ja suurille läpimurroille.
Mikko Mettonen, kvanttiteknologian professori Aalto-yliopistosta
Tutkijat jatkavat työskentelyä parantamiseksiконструкции, материалах и времени затвора унимона, чтобы превзойти цель по точности в 99,99% для создания полезного квантового преимущества и эффективной коррекции ошибок в практически устройствах на основе большого количества кубитов.
Lue lisää:
Pääteoria ihmisen alkuperästä kumottiin: mistä me tulimme
Ensimmäisen syöpälääketutkimuksen tulokset julkaistu
Maapallolla asuu nyt 8 miljardia ihmistä: uhkaako liikakansoitus planeettaa?