Naujo superlaidaus kubito tyrimo rezultatai, paskelbti žurnale Nature Communications, rodo
Superlaidieji kubitai
Tradiciniai skaičiavimo modeliai remiasifiziniai sprendimai, atitinkantys klasikinės mechanikos dėsnius. Pavyzdžiui, taip veikia dauguma šiuolaikinių procesorių. Kvantinė kompiuterija naudoja reiškinius, vykstančius atomų ir subatominių dalelių mastu, kad galėtų perduoti ir apdoroti informaciją.
Yra įvairių kvantinio skaičiavimo modelių,tačiau populiariausi yra naudojami kubitai ir kvantiniai vartai. Prisiminkite, kad kubitas yra sistema su dviem galimomis būsenomis, kurios gali būti vienoje iš jų arba abiejų superpozicijoje. Kvantiniai vartai yra pagrindinis skaitmeninės grandinės elementas, atliekantis elementarią loginę operaciją. Jame aprašoma, kaip pasikeis kubitų būsena, atsižvelgiant į pradines reikšmes, pritaikius jiems tam tikrą dėsnį.
Kadangi kvantiniai efektai atsiranda tikItin mažose skalėse kubitų ir vartų kūrimas yra nepaprastai sudėtinga užduotis. Iš daugelio naudingų kvantinių kompiuterių kūrimo būdų superlaidieji kubitai įgijo didžiausią populiarumą. Norėdami juos sukurti, inžinieriai naudoja temperatūrą, artimą absoliučiam nuliui, kai makro lygmeniu pradeda ryškėti kvantiniai efektai. Pavyzdžiui, būtent šią technologiją naudoja neseniai pristatyti IBM kvantiniai procesoriai, kuriuose yra rekordinis 433 kubitai.
Cooper pora ir transmonas
Superlaidininkuose dauguma krūvininkųyra Kuperio poros. Tai dviejų elektronų, sąveikaujančių per fononą, surišta būsena. Jo sukimasis nulinis, o krūvis lygus dvigubam elektrono krūviui. Būtent šios dalelės, veikiančios kaip visuma, naudojamos kvantiniam skaičiavimui.
Paprasčiausias įkrovimo kubitas arba blokasCooper pairs yra elementas, kurio būsena lemia Cooper porų pertekliaus buvimą ar nebuvimą saloje. Tokį komponentą sudaro mažytė superlaidi sala, Josephsono sandūra sujungta į superlaidų rezervuarą. Šioje sandūroje kritinė srovė yra slopinama, o tarp dviejų superlaidininkų plonu izoliuojančiu arba nelaidžiu sluoksniu teka tunelio srovė.
Состояние кубита при этом зависит от количества куперовских пар, которые туннелировали через соединение. Эффект туннелирования используется для проектирования квантовых ангармонических генераторов, которые выступают в качестве кубитов.
Įkrovimo kubitų grandinės schema. Salą sudaro superlaidus elektrodas tarp vartų kondensatoriaus ir sankryžos talpos. Vaizdas: ETH
Įkrovimo kubitai atliekami naudojanttechnologijas, panašias į naudojamas mikroelektronikoje. Įrenginiai paprastai gaminami ant silicio arba safyro plokštelių, naudojant elektronų pluošto litografiją ir plonos metalinės plėvelės garinimą.
Šiuo atveju Josephsono sandūros sudaromos sunaudojant šešėlių išgarinimą. Tai procesas, kurio metu pagrindinis metalas pakaitomis išgaruoja dviem kampais per litografiškai apibrėžtą kaukę elektronų pluošto reziste. Dėl to susidaro du persidengiantys superlaidaus metalo sluoksniai, tarp kurių nusėda plonas izoliatoriaus sluoksnis.
Nors tokius kubitus pasidaryti gana paprastaNaudojant brandžią technologiją, naudojamą klasikiniuose kompiuteriuose, jų trūkumai apima greitą dekoherenciją (susipainiojimo suskaidymą) veikiant išoriniam triukšmui. Kad kvantiniai kompiuteriai galėtų atlikti naudingus skaičiavimus, juose esanti informacija turi būti beveik 100 % tiksli. Įkrovimo triukšmas, atsirandantis dėl materialinės aplinkos, kurioje yra kubitai, netobulumo, neigiamai veikia informacijos tikslumą.
IBM įrenginys, susidedantis iš keturių transmonų. Vaizdas: Jay M. Gambetta ir kt., Quantum Information
Norėdami pailginti tokių kubitų „gyvenimą“, in2007 m. Jeilio universiteto mokslininkai baigė kurti sistemą ir sukūrė transmoną. Tai Cooper porų blokas, kuriame Josephson sandūros papildomai šuntuojamos dideliu talpiniu kondensatoriumi. Sumažėjus jautrumui talpiniam triukšmui, Cooperio porų bloko koherencijos laikas padidėjo nuo 1–2 ns iki beveik 100 ns transmonui.
Unimon yra naujas superlaidus kubitas
Meninė unimono iliustracija kvantiniame procesoriuje. Vaizdas: Alexander Kakinen, Aalto universitetas
Nepaisant didelės pažangos vystymosi srityjeŠiuo metu naudojami kvantiniai skaičiavimai, kubitų dizainai ir metodai neužtikrina pakankamai aukšto našumo, kad jį būtų galima plačiai naudoti. Įgyvendintų skaičiavimų sudėtingumą daugiausia riboja vieno ir dviejų kubitų kvantinių elementų klaidos.
Norėdami išspręsti šią problemą, mokslininkaisukūrė naujo tipo superlaidų kubitą. Jie sujungia padidintą anharmoniškumą (sistemos energijos nukrypimą nuo harmoninių „svyravimų“), visišką nejautrumą nuolatinės srovės triukšmui, sumažintą jautrumą magnetiniam triukšmui ir paprastą struktūrą.
Prietaisą sudaro vienas Josephsonsandūra, šuntuota tiesinio induktoriaus, ir kondensatorius, veikiantis tokiu režimu, kai indukcinė energija daugiausia kompensuojama Josephsono energija. Ši savybė lemia aukštą anharmoniškumo lygį, visišką atsparumą žemo dažnio įkrovimo triukšmui ir dalinę apsaugą nuo srauto triukšmo, pažymi mokslininkai.
Eksperimentiniam unimono demonstravimui mokslininkaisuprojektuoti ir pagaminti lustai, kurių kiekvienas susideda iš trijų unimonų kubitų. Jie naudojo niobį kaip superlaidžią medžiagą, išskyrus Josephson kontaktus, kuriuose superlaidūs laidai buvo pagaminti iš aliuminio.
Kairė:Dirbtinės spalvos mikroskopinis silicio lusto vaizdas, kuriame yra trys unimonai (mėlyna) kartu su jų nuskaitymo ertmėmis (raudona), pavaros linijomis (žalia) ir zondo prijungimo linija (geltona). Dešinėje: supaprastinta eksperimentinė sąranka, naudojama unimonams matuoti. Vaizdas: Eric Hyyppä ir kt., Nature Communications
Savo prietaisais mokslininkai pasiekėtikslumas nuo 99,8% iki 99,9% 13 ns vieno kubito vartams su trimis skirtingais unimono kubitais. Tyrėjai pažymi, kad dėl didesnio anharmoniškumo ar netiesiškumo nei transmonuose, su unimonais galima dirbti greičiau, todėl vienoje operacijoje atsiranda mažiau klaidų.
Unimonai yra labai paprasti, tačiau turi daug privalumų.prieš transmonus. Tai, kad pats pirmasis kada nors sukurtas unimonas veikė taip gerai, atveria daug erdvės optimizavimui ir dideliems proveržiams.
Mikko Mettonenas, Aalto universiteto kvantinės technologijos profesorius
Tyrėjai ir toliau sieks patobulinimųdizainas, medžiagos ir unimon vartų laikas viršyti 99,99% tikslumo tikslą, kad būtų sukurtas naudingas kvantinis pranašumas ir veiksmingas klaidų taisymas praktiniuose įrenginiuose, pagrįstuose dideliu kubitų skaičiumi.
Skaityti daugiau:
Pagrindinė žmogaus kilmės teorija buvo paneigta: iš kur mes atsiradome
Paskelbti pirmojo vėžio vaistų tyrimo rezultatai
Dabar Žemėje gyvena 8 milijardai žmonių: ar per didelis gyventojų skaičius kelia grėsmę planetai?