Rezultati studije o novom supravodljivom kubitu, objavljeni u časopisu Nature Communications, pokazuju
Supervodljivi kubiti
Tradicionalni računalni modeli oslanjaju se nafizikalna rješenja koja odgovaraju zakonima klasične mehanike. Tako radi, na primjer, većina modernih procesora. Kvantno računalstvo koristi fenomene koji se javljaju na razini atoma i subatomskih čestica za komunikaciju i obradu informacija.
Postoje različiti modeli kvantnog računalstva,međutim, najpopularniji uključuju upotrebu kubita i kvantnih vrata. Podsjetimo se da je qubit sustav s dva moguća stanja, koja mogu biti u jednom od njih ili u superpoziciji oba. Kvantna vrata su osnovni element digitalnog sklopa koji izvodi elementarnu logičku operaciju. Opisuje kako će se stanje qubita promijeniti, uzimajući u obzir početne vrijednosti, nakon primjene određenog zakona na njih.
Budući da se kvantni efekti pojavljuju samo uU ultra-malim razmjerima, stvaranje kubita i vrata iznimno je težak zadatak. Od mnogih pristupa izgradnji korisnih kvantnih računala, supravodljivi kubiti stekli su najveću popularnost. Kako bi ih stvorili, inženjeri koriste temperature blizu apsolutne nule, pri kojima se kvantni efekti počinju pojavljivati na makro razini. Primjerice, upravo ovu tehnologiju koriste nedavno predstavljeni IBM-ovi kvantni procesori koji sadrže rekordnih 433 qubita.
cooper par i transmon
U supravodiču, većinski nositelji nabojasu Cooperovi parovi. Ovo je vezano stanje dvaju elektrona koji međusobno djeluju kroz fonon. Ima nulti spin i naboj jednak dvostrukom naboju elektrona. Upravo se te čestice, djelujući kao cjelina, koriste za kvantno računalstvo.
Najjednostavniji qubit ili blok za punjenjeCooperovi parovi su elementi čije stanje određuje prisutnost ili odsutnost viška Cooperovih parova na otoku. Takvu komponentu čini maleni supravodljivi otok povezan Josephsonovim spojem u supravodljivi rezervoar. U tom je spoju kritična struja potisnuta, a tunelska struja teče kroz tanki izolacijski ili nesupravodljivi sloj između dva supravodiča.
Stanje qubita ovisi o brojuCooperovi parovi koji su se tunelirali kroz vezu. Efekt tuneliranja koristi se za dizajn kvantnih anharmoničnih oscilatora koji djeluju kao kubiti.
Shematski dijagram kruga kubita naboja. Otok je formiran supravodljivom elektrodom između gejt kondenzatora i spojnog kapaciteta. Slika: ETH
Nabojni kubiti izrađuju se korištenjemtehnologije slične onima koje se koriste u mikroelektronici. Uređaji se obično izrađuju na silikonskim ili safirnim pločama pomoću litografije elektronskim snopom i isparavanjem tankog metalnog filma.
U ovom slučaju, Josephsonovi spojevi nastaju spomoću isparavanja sjene. Ovo je proces u kojem osnovni metal naizmjenično isparava pod dva kuta kroz litografski definiranu masku u otporniku elektronske zrake. To rezultira stvaranjem dvaju slojeva supravodljivog metala koji se preklapaju, između kojih se nalazi tanki sloj izolatora.
Iako je takve qubite prilično lako napravitiKoristeći zrelu tehnologiju koja se koristi u klasičnim računalima, njihovi nedostaci uključuju brzu dekoherenciju (prekid isprepletenosti) pod utjecajem vanjske buke. Da bi kvantna računala izvodila korisne izračune, informacije koje sadrže moraju biti blizu 100% točne. Buka punjenja uzrokovana nesavršenošću materijalnog okruženja u kojem se nalaze qubiti negativno utječe na točnost informacija.
IBM uređaj koji se sastoji od četiri transmona. Slika: Jay M. Gambetta i sur., Kvantne informacije
Da bi se produžio "život" takvih kubita, uGodine 2007. istraživači sa Sveučilišta Yale finalizirali su sustav i stvorili transmon. Ovo je blok Cooperovih parova, u kojem su Josephsonovi spojevi dodatno šuntirani velikim kapacitivnim kondenzatorom. Smanjenje osjetljivosti na kapacitivni šum rezultiralo je povećanjem vremena koherencije od 1-2 ns za blok Cooperovih parova do gotovo 100 ns za transmon.
Unimon je novi supravodljivi kubit
Umjetnička ilustracija unimona u kvantnom procesoru. Slika: Alexander Kakinen, Sveučilište Aalto
Unatoč značajnom napretku u razvojuKvantno računalstvo, qubit dizajni i metode koje se trenutno koriste ne pružaju dovoljno visoke performanse za široku praktičnu upotrebu. Složenost provedenih izračuna uglavnom je ograničena pogreškama u kvantnim elementima s jednim i dva qubita.
Kako bi riješili ovaj problem, istraživačirazvio novu vrstu supravodljivog kubita. Kombiniraju povećanu anharmoničnost (odstupanje energije sustava od harmonijskih "fluktuacija"), potpunu neosjetljivost na DC šum, smanjenu osjetljivost na magnetski šum, te jednostavnu strukturu.
Uređaj se sastoji od jednog Josephsonaspoj šuntiran linearnim induktorom i kondenzator koji radi u načinu rada u kojem se induktivna energija uglavnom kompenzira Josephsonovom energijom. Ovo svojstvo rezultira visokom razinom anharmoničnosti s potpunom otpornošću na niskofrekventnu buku punjenja i djelomičnu zaštitu od buke protoka, napominju istraživači.
Za eksperimentalnu demonstraciju unimona, znanstvenicidizajnirao i proizveo čipove, od kojih se svaki sastoji od tri unimon qubita. Kao supravodljivi materijal koristili su niobij, s iznimkom Josephsonovih kontakata, u kojima su supravodljivi izvodi bili izrađeni od aluminija.
Lijevo:Mikroskopska slika u lažnoj boji silikonskog čipa koji sadrži tri unimona (plavo) zajedno s njihovim šupljinama za očitavanje (crveno), pogonskim vodovima (zeleno) i veznom linijom sonde (žuto). Desno: pojednostavljena eksperimentalna postavka koja se koristi za mjerenje unimona. Slika: Eric Hyyppä et al., Nature Communications
Znanstvenici su svojim uređajima postiglitočnost od 99,8% do 99,9% za jednokubitna vrata od 13 ns na tri različita unimon kubita. Istraživači primjećuju da se zbog veće anharmoničnosti ili nelinearnosti nego kod transmona, na unimonima može raditi brže, što rezultira s manje pogrešaka po operaciji.
Unimoni su vrlo jednostavni, ali imaju mnoge prednosti.ispred transmona. Činjenica da je prvi unimon ikad stvoren radio tako dobro otvara mnogo prostora za optimizaciju i velika otkrića.
Mikko Mettonen, profesor kvantne tehnologije na Sveučilištu Aalto
Istraživači će nastaviti raditi na poboljšanjimadizajn, materijali i vremena vrata unimon premašiti cilj od 99,99% točnosti kako bi se stvorila korisna kvantna prednost i učinkovito ispravljanje pogrešaka u praktičnim uređajima koji se temelje na velikom broju qubita.
Čitaj više:
Opovrgnuta je glavna teorija o postanku čovjeka: odakle smo došli
Objavljeni rezultati prvog ispitivanja lijeka protiv raka
Na Zemlji sada živi 8 milijardi ljudi: prijeti li planetu prenaseljenost?