Resultatene av en studie av en ny superledende qubit, publisert i tidsskriftet Nature Communications, viser
Superledende qubits
Tradisjonelle beregningsmodeller er avhengige avfysiske løsninger som tilsvarer lovene i klassisk mekanikk. Slik fungerer for eksempel de fleste moderne prosessorer. Kvantedatabehandling bruker fenomener som oppstår på skalaen av atomer og subatomære partikler for å kommunisere og behandle informasjon.
Det finnes ulike modeller for kvanteberegning,de mest populære involverer imidlertid bruk av qubits og kvanteporter. Husk at en qubit er et system med to mulige tilstander, som kan være i en av dem eller i en superposisjon av begge. En kvanteport er et grunnleggende element i en digital krets som utfører en elementær logisk operasjon. Den beskriver hvordan tilstanden til qubits vil endre seg, tatt i betraktning startverdiene, etter å ha brukt en viss lov på dem.
Siden kvanteeffekter bare vises iI ultrasmå skalaer er det en ekstremt vanskelig oppgave å lage qubits og porter. Av de mange tilnærmingene til å bygge nyttige kvantedatamaskiner, har superledende qubits fått mest popularitet. For å lage dem bruker ingeniører temperaturer nær absolutt null, hvor kvanteeffekter begynner å vises på makronivå. For eksempel er det denne teknologien som brukes av de nylig introduserte IBM-kvanteprosessorene som inneholder rekorden 433 qubits.
cooper par og transmon
I en superleder er de fleste ladebærereer Cooper-par. Dette er en bundet tilstand av to elektroner som samhandler gjennom en fonon. Den har null spinn og en ladning lik to ganger ladningen til et elektron. Det er disse partiklene, som fungerer som en helhet, som brukes til kvanteberegning.
Den enkleste ladningen qubit, eller blokkCooper-par er et element hvis tilstand bestemmer tilstedeværelsen eller fraværet av overflødige Cooper-par på øya. En slik komponent er dannet av en liten superledende øy forbundet med et Josephson-kryss til et superledende reservoar. I dette krysset undertrykkes den kritiske strømmen, og en tunnelstrøm flyter gjennom et tynt isolerende eller ikke-superledende lag mellom de to superlederne.
Tilstanden til qubiten avhenger av talletCooper-par som tunnelerte gjennom forbindelsen. Tunneleffekten brukes til å designe kvante anharmoniske oscillatorer som fungerer som qubits.
Skjematisk diagram av en ladnings-qubit-krets. Øya er dannet av en superledende elektrode mellom portkondensatoren og koblingskapasitansen. Bilde: ETH
Charge qubits er laget ved hjelp avteknologier som ligner på de som brukes i mikroelektronikk. Enhetene er vanligvis bygget på silisium- eller safirskiver ved bruk av elektronstrålelitografi og tynn metallfilmfordampning.
I dette tilfellet dannes Josephson-kryss medved bruk av skyggefordampning. Dette er en prosess der grunnmetallet vekselvis fordamper i to vinkler gjennom en litografisk definert maske i en elektronstråleresist. Dette resulterer i dannelsen av to overlappende lag av superledende metall, mellom hvilke et tynt lag med isolator er avsatt.
Selv om slike qubits er ganske enkle å lage medVed å bruke moden teknologi som brukes i klassiske datamaskiner, inkluderer deres ulemper rask dekoherens (sammenbrudd av sammenfiltring) under påvirkning av ekstern støy. For at kvantedatamaskiner skal utføre nyttige beregninger, må informasjonen de inneholder være nær 100 % nøyaktig. Ladestøy forårsaket av ufullkommenhet i det materielle miljøet der qubitene befinner seg, påvirker nøyaktigheten til informasjonen negativt.
En IBM-enhet som består av fire transmons. Bilde: Jay M. Gambetta et al., Quantum Information
For å øke "levetiden" til slike qubits, iI 2007 fullførte forskere fra Yale University systemet og opprettet transmonen. Dette er en blokk med Cooper-par, der Josephson-kryssene i tillegg er shuntet med en stor kapasitiv kondensator. Nedgangen i følsomhet for kapasitiv støy resulterte i en økning i koherenstiden fra 1–2 ns for en blokk med Cooper-par til nesten 100 ns for en transmon.
Unimon er en ny superledende qubit
Kunstnerisk illustrasjon av en unimon i en kvanteprosessor. Bilde: Alexander Kakinen, Aalto-universitetet
Til tross for betydelig fremgang i utviklingenKvantedatabehandling, qubit-design og metoder som for tiden er i bruk gir ikke høy nok ytelse for utbredt praktisk bruk. Kompleksiteten til de implementerte beregningene er hovedsakelig begrenset av feil i kvanteelementer med en og to qubits.
For å løse dette problemet, forskereutviklet en ny type superledende qubit. De kombinerer økt anharmonisitet (avvik av systemets energi fra harmoniske "fluktuasjoner"), fullstendig ufølsomhet for DC-støy, redusert følsomhet for magnetisk støy og en enkel struktur.
Enheten består av en Josephsonet kryss shuntet av en lineær induktor, og en kondensator som opererer i en modus der den induktive energien hovedsakelig kompenseres av Josephson-energien. Denne egenskapen resulterer i et høyt nivå av anharmonisitet med full immunitet mot lavfrekvent ladestøy og delvis beskyttelse mot strømningsstøy, bemerker forskerne.
For den eksperimentelle demonstrasjonen av unimon, forskeredesignet og produsert brikker, hver bestående av tre unimon qubits. De brukte niob som superledende materiale, med unntak av Josephson-kontakter, der de superledende ledningene var laget av aluminium.
Venstre:Mikroskopisk bilde i falsk farge av en silisiumbrikke som inneholder tre unimoner (blå) sammen med deres avlesningshulrom (rød), drivledninger (grønn) og sondeforbindelseslinje (gul). Høyre: Et forenklet eksperimentelt oppsett som brukes til å måle unimons. Bilde: Eric Hyyppä et al., Nature Communications
Med enhetene sine har forskere oppnåddnøyaktighet fra 99,8 % til 99,9 % for 13 ns enkelt-qubit-porter på tre forskjellige unimon-qubits. Forskerne bemerker at på grunn av høyere anharmonisitet eller ikke-linearitet enn i transmons, kan unimoner bearbeides raskere, noe som resulterer i færre feil per operasjon.
Unimons er veldig enkle, men har mange fordeler.foran transmonene. Det faktum at den aller første unimon som noen gang er laget fungerte så bra, åpner for mye rom for optimalisering og store gjennombrudd.
Mikko Mettonen, professor i kvanteteknologi ved Aalto-universitetet
Forskere vil fortsette å jobbe med forbedringer idesign, materialer og unimon gate-tider for å overskride målet på 99,99% nøyaktighet for å skape en nyttig kvantefordel og effektiv feilretting i praktiske enheter basert på et stort antall qubits.
Les mer:
Hovedteorien om menneskets opprinnelse ble tilbakevist: hvor kom vi fra
Resultatene fra den første kreftmedisinstudien publisert
8 milliarder mennesker bor nå på jorden: truer overbefolkning planeten?