Jauna supravadoša kubīta pētījuma rezultāti, kas publicēti žurnālā Nature Communications, liecina
Supravadoši kubiti
Tradicionālie skaitļošanas modeļi balstās uzfiziskie risinājumi, kas atbilst klasiskās mehānikas likumiem. Tā darbojas, piemēram, lielākā daļa mūsdienu procesoru. Kvantu skaitļošanā tiek izmantotas parādības, kas notiek atomu un subatomisko daļiņu mērogā, lai sazinātos un apstrādātu informāciju.
Ir dažādi kvantu skaitļošanas modeļi,tomēr populārākie ir saistīti ar kubitu un kvantu vārtu izmantošanu. Atcerieties, ka kubits ir sistēma ar diviem iespējamiem stāvokļiem, kas var būt vienā no tiem vai abu superpozīcijā. Kvantu vārti ir ciparu shēmas pamatelements, kas veic elementāru loģisku darbību. Tas apraksta, kā mainīsies kubitu stāvoklis, ņemot vērā sākotnējās vērtības, pēc tam, kad tiem tiks piemērots noteikts likums.
Tā kā kvantu efekti parādās tikaiĪpaši mazos mērogos kubitu un vārtu izveide ir ārkārtīgi grūts uzdevums. No daudzajām pieejām noderīgu kvantu datoru veidošanai supravadošie kubiti ir ieguvuši vislielāko popularitāti. Lai tos izveidotu, inženieri izmanto temperatūru, kas ir tuvu absolūtai nullei, pie kuras makro līmenī sāk parādīties kvantu efekti. Piemēram, tieši šo tehnoloģiju izmanto nesen ieviestie IBM kvantu procesori, kas satur rekordlielus 433 kubitus.
cooper pāris un transmons
Supravadītājā lielākā daļa lādiņu nesējuir Kūperu pāri. Šis ir divu elektronu saistīts stāvoklis, kas mijiedarbojas caur fononu. Tam ir nulles spins un lādiņš, kas ir divreiz lielāks par elektrona lādiņu. Šīs daļiņas, kas darbojas kopumā, tiek izmantotas kvantu skaitļošanai.
Vienkāršākais uzlādes kubits jeb bloksKūperu pāri ir elements, kura stāvoklis nosaka lieko Kūperu pāru esamību vai neesamību salā. Šādu komponentu veido niecīga supravadoša sala, kas savienota ar Džozefsona krustojumu supravadītājā rezervuārā. Šajā krustojumā kritiskā strāva tiek nomākta, un tuneļa strāva plūst caur plānu izolējošu vai ne-supravadošu slāni starp abiem supravadītājiem.
Kubita stāvoklis ir atkarīgs no skaitļaKūpera pāri, kas tuneli caur savienojumu. Tunelēšanas efektu izmanto, lai izstrādātu kvantu anharmoniskus oscilatorus, kas darbojas kā kubiti.
Uzlādes kubitu shēmas shematiskā diagramma. Salu veido supravadošs elektrods starp aizbīdņa kondensatoru un savienojuma kapacitāti. Attēls: ETH
Uzlādes kubiti tiek veikti, izmantojottehnoloģijas, kas ir līdzīgas mikroelektronikā izmantotajām. Ierīces parasti tiek veidotas uz silīcija vai safīra plāksnēm, izmantojot elektronu staru litogrāfiju un plānas metāla plēves iztvaikošanu.
Šajā gadījumā Džozefsona krustojumi tiek veidoti arizmantojot ēnu iztvaikošanu. Šis ir process, kurā pamatmetāls pārmaiņus iztvaiko divos leņķos caur litogrāfiski definētu masku elektronu staru pretestībā. Tā rezultātā veidojas divi pārklājoši supravadoša metāla slāņi, starp kuriem tiek nogulsnēts plāns izolatora slānis.
Lai gan šādus kubitus ir diezgan viegli izgatavotIzmantojot nobriedušu tehnoloģiju, ko izmanto klasiskajos datoros, to trūkumi ietver ātru dekoherenci (savienojuma sadalīšanos) ārēja trokšņa ietekmē. Lai kvantu datori varētu veikt noderīgus aprēķinus, tajos esošajai informācijai jābūt gandrīz 100% precīzai. Uzlādes troksnis, ko rada materiālās vides, kurā atrodas kubiti, nepilnības, negatīvi ietekmē informācijas precizitāti.
IBM ierīce, kas sastāv no četriem transmoniem. Attēls: Jay M. Gambetta et al., Quantum Information
Lai palielinātu šādu kubitu "dzīvi", in2007. gadā Jēlas universitātes pētnieki pabeidza sistēmas izveidi un izveidoja transmonu. Šis ir Kūpera pāru bloks, kurā Džozefsona krustojumi ir papildus šunti ar lielu kapacitatīvo kondensatoru. Jutības samazināšanās pret kapacitatīvo troksni izraisīja koherences laika palielināšanos no 1–2 ns Kūpera pāru blokam līdz gandrīz 100 ns transmonam.
Unimon ir jauns supravadošs kubits
Mākslinieciska unimona ilustrācija kvantu procesorā. Attēls: Aleksandrs Kakinens, Aalto Universitāte
Neskatoties uz ievērojamo progresu attīstībāPašlaik izmantotās kvantu skaitļošanas, kubitu konstrukcijas un metodes nenodrošina pietiekami augstu veiktspēju plašai praktiskai lietošanai. Ieviesto aprēķinu sarežģītību galvenokārt ierobežo kļūdas kvantu elementos ar vienu un diviem kubitiem.
Lai atrisinātu šo problēmu, pētniekiizstrādāja jauna veida supravadošu kubitu. Tie apvieno paaugstinātu anharmoniskumu (sistēmas enerģijas novirzi no harmoniskām "svārstībām"), pilnīgu nejutīgumu pret līdzstrāvas troksni, samazinātu jutību pret magnētisko troksni un vienkāršu struktūru.
Ierīce sastāv no viena Džozefsonakrustojums, ko šunts ar lineāro induktors, un kondensators, kas darbojas režīmā, kurā induktīvo enerģiju galvenokārt kompensē Džozefsona enerģija. Šī īpašība rada augstu anharmoniskuma līmeni ar pilnīgu imunitāti pret zemas frekvences uzlādes troksni un daļēju aizsardzību pret plūsmas troksni, atzīmē pētnieki.
Par eksperimentālu unimona demonstrāciju, zinātniekiizstrādātas un ražotas mikroshēmas, katra sastāv no trim unimona kubitiem. Viņi izmantoja niobiju kā supravadošu materiālu, izņemot Džozefsona kontaktus, kuros supravadošie vadi bija izgatavoti no alumīnija.
Pa kreisi:Mākslīgās krāsas mikroskopisks silīcija mikroshēmas attēls, kurā ir trīs vienmonioni (zils) kopā ar to nolasīšanas dobumiem (sarkans), piedziņas līnijām (zaļa) un zondes savienojuma līnijai (dzeltena). Labajā pusē: vienkāršota eksperimentāla iestatīšana, ko izmanto unimonu mērīšanai. Attēls: Eric Hyyppä et al., Nature Communications
Ar savām ierīcēm zinātnieki ir sasniegušiprecizitāte no 99,8% līdz 99,9% 13 ns viena kubitu vārtiem uz trim dažādiem unimona kubitiem. Pētnieki atzīmē, ka augstākas anharmoniskuma vai nelinearitātes dēļ nekā transmonos, ar unimoniem var strādāt ātrāk, kā rezultātā vienā operācijā ir mazāk kļūdu.
Unimoni ir ļoti vienkārši, taču tiem ir daudz priekšrocību.transmonu priekšā. Fakts, ka pats pirmais unimons, kas jebkad izveidots, darbojās tik labi, paver daudz vietas optimizācijai un būtiskiem sasniegumiem.
Miko Mettonens, Aalto universitātes kvantu tehnoloģiju profesors
Pētnieki turpinās strādāt pie uzlabojumiemdizains, materiāli un unimon vārtu laiki, lai pārsniegtu 99,99% precizitātes mērķi, lai radītu noderīgu kvantu priekšrocību un efektīvu kļūdu labošanu praktiskās ierīcēs, kuru pamatā ir liels kubitu skaits.
Lasīt vairāk:
Galvenā cilvēka izcelsmes teorija tika atspēkota: no kurienes mēs nākām
Publicēti pirmā vēža zāļu izmēģinājuma rezultāti
Uz Zemes tagad dzīvo 8 miljardi cilvēku: vai pārapdzīvotība apdraud planētu?