Pokazują wyniki badań nowego kubitu nadprzewodzącego, opublikowane w czasopiśmie Nature Communications
Kubity nadprzewodzące
Tradycyjne modele obliczeniowe polegają narozwiązania fizyczne odpowiadające prawom mechaniki klasycznej. Tak działa na przykład większość nowoczesnych procesorów. Obliczenia kwantowe wykorzystują zjawiska zachodzące w skali atomów i cząstek subatomowych do komunikacji i przetwarzania informacji.
Istnieją różne modele komputerów kwantowych,jednak najpopularniejsze z nich obejmują wykorzystanie kubitów i bramek kwantowych. Przypomnijmy, że kubit to system z dwoma możliwymi stanami, które mogą znajdować się w jednym z nich lub w superpozycji obu. Bramka kwantowa to podstawowy element układu cyfrowego realizujący elementarną operację logiczną. Opisuje, jak zmieni się stan kubitów, biorąc pod uwagę wartości początkowe, po zastosowaniu do nich określonego prawa.
Ponieważ efekty kwantowe pojawiają się tylko wW bardzo małych skalach tworzenie kubitów i bramek jest niezwykle trudnym zadaniem. Spośród wielu podejść do budowy użytecznych komputerów kwantowych największą popularność zyskały kubity nadprzewodzące. Do ich tworzenia inżynierowie wykorzystują temperatury bliskie zeru absolutnemu, w których efekty kwantowe zaczynają pojawiać się na poziomie makro. Z tej właśnie technologii korzystają np. wprowadzone niedawno procesory kwantowe IBM zawierające rekordowe 433 kubity.
Cooper para i Transmon
W nadprzewodniku większość nośników ładunkusą parami Coopera. Jest to stan związany dwóch elektronów oddziałujących przez fonon. Ma zerowy spin i ładunek równy dwukrotności ładunku elektronu. To właśnie te cząstki, działając jako całość, są wykorzystywane w obliczeniach kwantowych.
Najprostszy kubit ładunkowy, czyli blokPary Coopera to element, którego stan decyduje o obecności lub braku nadmiaru par Coopera na wyspie. Taki element składa się z małej nadprzewodzącej wyspy połączonej złączem Josephsona ze zbiornikiem nadprzewodzącym. W tym złączu prąd krytyczny jest tłumiony, a prąd tunelowy przepływa przez cienką warstwę izolującą lub nieprzewodzącą pomiędzy dwoma nadprzewodnikami.
Stan kubitu zależy od liczbyPary Coopera, które tunelowały przez połączenie. Efekt tunelowania jest wykorzystywany do projektowania kwantowych oscylatorów anharmonicznych, które działają jak kubity.
Schemat ideowy obwodu kubitu ładunku. Wyspa jest utworzona przez nadprzewodzącą elektrodę między kondensatorem bramki a pojemnością złącza. Obraz: ETH
Kubity ładunkowe są tworzone przy użyciutechnologie podobne do tych stosowanych w mikroelektronice. Urządzenia są zwykle zbudowane na płytkach krzemowych lub szafirowych przy użyciu litografii wiązką elektronów i odparowania cienkiej warstwy metalu.
W tym przypadku powstają połączenia Josephsona zza pomocą odparowywania cienia. Jest to proces, w którym metal macierzysty naprzemiennie odparowuje pod dwoma kątami przez litograficznie zdefiniowaną maskę w oporze z wiązką elektronów. Powoduje to powstanie dwóch zachodzących na siebie warstw metalu nadprzewodzącego, pomiędzy którymi osadzona jest cienka warstwa izolatora.
Chociaż takie kubity są dość łatwe do wykonaniaWykorzystując dojrzałą technologię stosowaną w klasycznych komputerach, ich wadą jest szybka dekoherencja (rozpad splątania) pod wpływem szumu zewnętrznego. Aby komputery kwantowe mogły wykonywać przydatne obliczenia, zawarte w nich informacje muszą być niemal w 100% dokładne. Szum ładowania spowodowany niedoskonałością środowiska materialnego, w którym znajdują się kubity, negatywnie wpływa na dokładność informacji.
Urządzenie IBM składające się z czterech transmonów. Zdjęcie: Jay M. Gambetta i in., Quantum Information
Aby zwiększyć „życie” takich kubitów, m.inW 2007 roku naukowcy z Yale University sfinalizowali system i stworzyli transmon. To blok par Coopera, w którym złącza Josephsona są dodatkowo zbocznikowane dużym kondensatorem pojemnościowym. Spadek wrażliwości na szum pojemnościowy spowodował zwiększenie czasu koherencji z 1–2 ns dla bloku par Coopera do prawie 100 ns dla transmonu.
Unimon to nowy kubit nadprzewodzący
Artystyczna ilustracja unimona w procesorze kwantowym. Zdjęcie: Alexander Kakinen, Uniwersytet Aalto
Pomimo znacznego postępu w rozwojuObliczenia kwantowe, projekty kubitów i obecnie stosowane metody nie zapewniają wystarczająco wysokiej wydajności, aby można było je szeroko zastosować w praktyce. Złożoność realizowanych obliczeń ograniczają głównie błędy w elementach kwantowych z jednym i dwoma kubitami.
Aby rozwiązać ten problem, naukowcyopracowali nowy typ kubitu nadprzewodzącego. Łączą w sobie podwyższoną anharmoniczność (odchylenie energii układu od harmonicznych „fluktuacji”), całkowitą niewrażliwość na szum prądu stałego, zmniejszoną wrażliwość na szum magnetyczny oraz prostą konstrukcję.
Urządzenie składa się z jednego Josephsonazłącze bocznikowane przez cewkę liniową i kondensator pracujący w trybie, w którym energia indukcyjna jest kompensowana głównie przez energię Josephsona. Ta właściwość skutkuje wysokim poziomem anharmoniczności z pełną odpornością na szum ładunku o niskiej częstotliwości i częściową ochroną przed szumem przepływu - zauważają naukowcy.
Do eksperymentalnej demonstracji unimonów naukowcyzaprojektowali i wyprodukowali chipy, z których każdy składa się z trzech unimonowych kubitów. Użyli niobu jako materiału nadprzewodzącego, z wyjątkiem styków Josephsona, w których przewody nadprzewodzące wykonano z aluminium.
Lewy:Sztucznie kolorowy obraz mikroskopowy krzemowego chipa zawierającego trzy unimony (niebieski) wraz z ich wnękami odczytowymi (czerwony), liniami napędowymi (zielony) i przewodem łączącym sondę (żółty). Po prawej: uproszczona konfiguracja eksperymentalna używana do pomiaru unimonów. Zdjęcie: Eric Hyyppä i in., Nature Communications
Dzięki swoim urządzeniom naukowcy osiągnęlidokładność od 99,8% do 99,9% dla jednokubitowych bramek 13 ns na trzech różnych unimonowych kubitach. Naukowcy zauważają, że ze względu na wyższą anharmoniczność lub nieliniowość niż w transmonach, na unimonach można pracować szybciej, co skutkuje mniejszą liczbą błędów na operację.
Unimony są bardzo proste, ale mają wiele zalet.przed transmisjami. Fakt, że pierwszy unimon, jaki kiedykolwiek powstał, działał tak dobrze, otwiera wiele miejsca na optymalizację i wielkie przełomy.
Mikko Mettonen, profesor technologii kwantowej na Uniwersytecie Aalto
Naukowcy będą nadal pracować nad ulepszeniami wprojekt, materiały i unimonowe czasy bramek, aby przekroczyć cel 99,99% dokładności, aby stworzyć użyteczną przewagę kwantową i wydajną korekcję błędów w praktycznych urządzeniach opartych na dużej liczbie kubitów.
Czytaj więcej:
Obalono główną teorię pochodzenia człowieka: skąd się wzięliśmy
Opublikowano wyniki pierwszego badania leku na raka
Na Ziemi żyje obecnie 8 miliardów ludzi: czy przeludnienie zagraża planecie?