A Nature Communications folyóiratban megjelent új szupravezető qubit vizsgálatának eredményei azt mutatják
Szupravezető qubitek
A hagyományos számítási modellek támaszkodnaka klasszikus mechanika törvényeinek megfelelő fizikai megoldások. Így működik például a legtöbb modern processzor. A kvantumszámítás olyan jelenségeket használ fel, amelyek az atomok és szubatomi részecskék léptékében fordulnak elő információk közlésére és feldolgozására.
A kvantumszámításnak számos modellje létezik,a legnépszerűbbek azonban a qubitek és a kvantumkapuk használatát jelentik. Emlékezzünk vissza, hogy a qubit két lehetséges állapotú rendszer, amely lehet az egyikben vagy mindkettő szuperpozíciójában. A kvantumkapu a digitális áramkör alapeleme, amely elemi logikai műveletet hajt végre. Leírja, hogy a qubitek állapota hogyan fog változni a kezdeti értékek figyelembevételével egy bizonyos törvény alkalmazása után.
Mivel a kvantumeffektusok csak azokban jelennek megUltra-kis méretekben a qubitek és kapuk létrehozása rendkívül nehéz feladat. A hasznos kvantumszámítógépek építésének számos megközelítése közül a szupravezető qubitek szerezték a legnagyobb népszerűséget. Létrehozásukhoz a mérnökök az abszolút nullához közeli hőmérsékletet használnak, amelynél a kvantumhatások kezdenek megjelenni makroszinten. Például ezt a technológiát használják a nemrégiben bemutatott, rekord 433 qubitet tartalmazó IBM kvantumprocesszorok.
kádár pár és transzmon
Szupravezetőben a többségi töltéshordozókCooper párok. Ez egy fononon keresztül kölcsönhatásba lépő két elektron kötött állapota. Nulla spinje van, és töltése megegyezik az elektron töltésének kétszeresével. Ezeket a részecskéket, mint egészet használják a kvantumszámításhoz.
A legegyszerűbb töltés qubit, vagy blokkA Cooper-párok olyan elemek, amelyek állapota meghatározza a felesleges Cooper-párok jelenlétét vagy hiányát a szigeten. Egy ilyen alkatrészt egy apró szupravezető sziget alkot, amelyet Josephson csomópont köt össze egy szupravezető tartályba. Ebben a csomópontban a kritikus áramot elnyomják, és a két szupravezető közötti vékony szigetelő vagy nem szupravezető rétegen alagútáram folyik át.
A qubit állapota a számtól függCooper párok, amelyek áthaladtak a kapcsolaton. Az alagúthatást kvantum-anharmonikus oszcillátorok tervezésére használják, amelyek qubitként működnek.
Egy töltés qubit áramkör sematikus diagramja. A szigetet a kapukondenzátor és a csatlakozási kapacitás közötti szupravezető elektróda alkotja. Kép: ETH
A töltési qubitek felhasználásával készülneka mikroelektronikában használtakhoz hasonló technológiákat. Az eszközök jellemzően szilícium vagy zafír lapkákra épülnek elektronsugaras litográfiával és vékony fémfilm bepárlással.
Ebben az esetben Josephson-elágazások jönnek létreárnyékpárologtatás segítségével. Ez egy olyan folyamat, amelyben az alapfém felváltva két szögben elpárolog egy litográfiailag meghatározott maszkon keresztül egy elektronsugár-ellenállásban. Ennek eredményeképpen két, egymást átfedő szupravezető fémréteg képződik, amelyek közé vékony szigetelőréteg kerül.
Bár az ilyen qubiteket meglehetősen könnyű elkészíteniA klasszikus számítógépeknél alkalmazott kiforrott technológia alkalmazásával hátrányaik közé tartozik a külső zaj hatására bekövetkező gyors dekoherencia (összefonódás lebomlása). Ahhoz, hogy a kvantumszámítógépek hasznos számításokat végezhessenek, a bennük lévő információknak közel 100%-os pontosságúaknak kell lenniük. Az anyagi környezet tökéletlensége által okozott töltési zaj, amelyben a qubitek találhatók, negatívan befolyásolja az információ pontosságát.
Négy transzmonból álló IBM eszköz. Kép: Jay M. Gambetta et al., Quantum Information
Az ilyen qubitek "élettartamának" növelése érdekében2007-ben a Yale Egyetem kutatói véglegesítették a rendszert és létrehozták a transzmont. Ez egy Cooper-párok blokkja, amelyben a Josephson-elágazások ezenkívül egy nagy kapacitív kondenzátorral vannak söntölve. A kapacitív zajra való érzékenység csökkenése azt eredményezte, hogy a koherencia idő 1–2 ns-ról Cooper-párok blokkja esetén majdnem 100 ns-ra nőtt egy transzmon esetében.
Az Unimon egy új szupravezető qubit
Egy unimon művészi illusztrációja egy kvantumprocesszorban. Kép: Alexander Kakinen, Aalto Egyetem
A jelentős fejlődés ellenéreA jelenleg használt kvantumszámítás, qubit-tervek és módszerek nem biztosítanak elég nagy teljesítményt a széles körű gyakorlati felhasználáshoz. A végrehajtott számítások bonyolultságát főként az egy és két qubites kvantumelemek hibái korlátozzák.
A probléma megoldására a kutatókkifejlesztett egy új típusú szupravezető qubitet. Egyesítik a megnövekedett anharmonikusságot (a rendszer energiájának eltérése a harmonikus "ingadozásoktól"), a DC zajra való teljes érzéketlenséget, a mágneses zajra való csökkentett érzékenységet és az egyszerű szerkezetet.
A készülék egy Josephsonból állegy lineáris induktor által söntött csomópont és egy olyan üzemmódban működő kondenzátor, amelyben az induktív energiát főként Josephson-energia kompenzálja. A kutatók megjegyzik, hogy ez a tulajdonság magas szintű anharmonikusságot eredményez, teljes immunitást biztosítva az alacsony frekvenciájú töltészaj ellen, és részleges védelmet nyújt az áramlási zaj ellen.
Az unimon kísérleti bemutatására tudósoktervezett és gyártott chipek, amelyek mindegyike három unimon qubitből áll. Szupravezető anyagként nióbiumot használtak, kivéve a Josephson-érintkezőket, amelyekben a szupravezető vezetékek alumíniumból készültek.
Bal:Hamis színű mikroszkópos képe egy szilícium chipről, amely három unimont (kék) tartalmaz a leolvasó üregekkel (piros), a meghajtó vezetékekkel (zöld) és a szonda csatlakozó vezetékével (sárga) együtt. Jobbra: Egy egyszerűsített kísérleti elrendezés az unimonok mérésére. Kép: Eric Hyyppä et al., Nature Communications
Készülékeikkel a tudósok elértékpontosság 99,8%-ról 99,9%-ra 13 ns-os egy-kubites kapuknál három különböző unimon qubiten. A kutatók megjegyzik, hogy a transzmonokhoz képest nagyobb anharmonicitás vagy nemlinearitás miatt az unimonokon gyorsabban lehet dolgozni, ami műveletenként kevesebb hibát eredményez.
Az unimonok nagyon egyszerűek, de számos előnnyel rendelkeznek.a transzmonok előtt. Az a tény, hogy a valaha létrehozott legelső unimon olyan jól működött, sok teret nyit az optimalizálás és a jelentős áttörések előtt.
Mikko Mettonen, az Aalto Egyetem kvantumtechnológiai professzora
A kutatók továbbra is dolgoznak a fejlesztésekenA tervezés, az anyagok és az unimon kapuidő túllépi a 99,99%-os pontosságot, hogy hasznos kvantumelőnyt és hatékony hibajavítást hozzon létre a gyakorlati eszközökben nagyszámú qubit alapján.
Olvass tovább:
Az ember eredetének fő elméletét megcáfolták: honnan jöttünk
Megjelent az első rákgyógyszer-vizsgálat eredményei
Jelenleg 8 milliárd ember él a Földön: a túlnépesedés fenyegeti a bolygót?