Rezultatele unui studiu al unui nou qubit supraconductor, publicat în revista Nature Communications, arată
Qubiți supraconductori
Pe care se bazează modelele de calcul tradiționalesoluţii fizice corespunzătoare legilor mecanicii clasice. Așa funcționează majoritatea procesoarelor moderne, de exemplu. Calculul cuantic folosește fenomene care apar la scara atomilor și a particulelor subatomice pentru a comunica și procesa informații.
Există diverse modele de calcul cuantic,cu toate acestea, cele mai populare implică utilizarea qubiților și a porților cuantice. Amintiți-vă că un qubit este un sistem cu două stări posibile, care pot fi într-una dintre ele sau într-o suprapunere a ambelor. O poartă cuantică este un element de bază al unui circuit digital care efectuează o operație logică elementară. Descrie modul în care starea qubiților se va schimba, ținând cont de valorile inițiale, după aplicarea unei anumite legi.
Deoarece efectele cuantice apar numai înLa scară ultra-mică, crearea de qubiți și porți este o sarcină extrem de dificilă. Dintre numeroasele abordări ale construirii calculatoarelor cuantice utile, qubiții supraconductori au câștigat cea mai mare popularitate. Pentru a le crea, inginerii folosesc temperaturi apropiate de zero absolut, la care efectele cuantice încep să apară la nivel macro. De exemplu, această tehnologie este folosită de procesoarele cuantice IBM recent introduse, care conțin un record de 433 de qubiți.
cuplu de tolari si transmon
Într-un supraconductor, cei mai mulți purtători de sarcinăsunt perechi Cooper. Aceasta este o stare legată a doi electroni care interacționează printr-un fonon. Are spin zero și o sarcină egală cu dublul sarcinii unui electron. Aceste particule, acționând ca un întreg, sunt folosite pentru calculul cuantic.
Cel mai simplu qubit de încărcare sau blocPerechile Cooper este un element a cărui stare determină prezența sau absența perechilor Cooper în exces în insulă. O astfel de componentă este formată dintr-o insulă supraconductoare minuscul conectată printr-o joncțiune Josephson într-un rezervor supraconductor. În această joncțiune, curentul critic este suprimat și un curent de tunel curge printr-un strat subțire izolator sau nesuperconductor între cei doi supraconductori.
Starea qubitului depinde de numărCooper perechi care au făcut tunel prin conexiune. Efectul de tunel este utilizat pentru a proiecta oscilatoare anarmonice cuantice care acționează ca qubiți.
Schema schematică a unui circuit de qubit de încărcare. Insula este formată dintr-un electrod supraconductor între condensatorul de poartă și capacitatea de joncțiune. Imagine: ETH
Qubiții de încărcare se fac folosindtehnologii similare cu cele utilizate în microelectronică. Dispozitivele sunt construite în mod obișnuit pe plachete de siliciu sau safir, utilizând litografia cu fascicul de electroni și evaporarea filmului subțire de metal.
În acest caz, se formează joncțiuni Josephson cufolosind evaporarea umbrei. Acesta este un proces în care metalul de bază se evaporă alternativ la două unghiuri printr-o mască definită litografic într-o rezistență cu fascicul de electroni. Aceasta are ca rezultat formarea a două straturi suprapuse de metal supraconductor, între care se depune un strat subțire de izolator.
Deși astfel de qubiți sunt destul de ușor de făcutFolosind tehnologie matură folosită în calculatoarele clasice, dezavantajele lor includ decoerența rapidă (defalcarea încurcăturii) sub influența zgomotului extern. Pentru ca calculatoarele cuantice să efectueze calcule utile, informațiile pe care le conțin trebuie să fie aproape de 100% exacte. Zgomotul de încărcare cauzat de imperfecțiunea mediului material în care se află qubiții afectează negativ acuratețea informațiilor.
Un dispozitiv IBM format din patru transmoni. Imagine: Jay M. Gambetta et al., Quantum Information
Pentru a crește „viața” unor astfel de qubiți, înÎn 2007, cercetătorii de la Universitatea Yale au finalizat sistemul și au creat transmonul. Acesta este un bloc de perechi Cooper, în care joncțiunile Josephson sunt în plus manevrate cu un condensator capacitiv mare. Scăderea sensibilității la zgomotul capacitiv a dus la o creștere a timpului de coerență de la 1–2 ns pentru un bloc de perechi Cooper la aproape 100 ns pentru un transmon.
Unimon este un nou qubit supraconductor
Ilustrație artistică a unui unimon într-un procesor cuantic. Imagine: Alexander Kakinen, Universitatea Aalto
În ciuda progreselor semnificative în dezvoltareCalculul cuantic, modelele qubit și metodele utilizate în prezent nu oferă performanțe suficient de ridicate pentru o utilizare practică pe scară largă. Complexitatea calculelor implementate este limitată în principal de erori în elementele cuantice cu unu și doi qubiți.
Pentru a rezolva această problemă, cercetătoriia dezvoltat un nou tip de qubit supraconductor. Ele combină anarmonicitatea crescută (deviația energiei sistemului de la „fluctuațiile”) armonice, insensibilitatea completă la zgomotul DC, sensibilitatea redusă la zgomotul magnetic și o structură simplă.
Dispozitivul este format dintr-un Josephsono joncțiune șuntată de un inductor liniar și un condensator care funcționează într-un mod în care energia inductivă este compensată în principal de energia Josephson. Această proprietate are ca rezultat un nivel ridicat de anarmonic, cu imunitate deplină la zgomotul de încărcare de joasă frecvență și protecție parțială împotriva zgomotului de flux, notează cercetătorii.
Pentru demonstrația experimentală a unimonului, oameni de științăcipuri proiectate și fabricate, fiecare constând din trei qubiți unimoni. Ei au folosit niobiul ca material supraconductor, cu excepția contactelor Josephson, în care cablurile supraconductoare erau fabricate din aluminiu.
Stânga:Imagine microscopică de culoare falsă a unui cip de siliciu care conține trei unimoni (albastru) împreună cu cavitățile lor de citire (roșu), liniile de antrenare (verde) și linia de conectare a sondei (galben). Dreapta: o configurație experimentală simplificată folosită pentru a măsura unimonii. Imagine: Eric Hyyppä et al., Nature Communications
Cu dispozitivele lor, oamenii de știință au reușitprecizie de la 99,8% la 99,9% pentru porți cu un singur qubit de 13 ns pe trei qubiți unimoni diferiți. Cercetătorii observă că, datorită anarmonicității sau neliniarității mai mari decât în transmoni, unimoniile pot fi lucrate mai rapid, rezultând mai puține erori pe operație.
Unimoniile sunt foarte simple, dar au multe avantaje.în faţa transmonilor. Faptul că primul unimon creat vreodată a funcționat atât de bine deschide mult spațiu pentru optimizare și descoperiri majore.
Mikko Mettonen, profesor de tehnologie cuantică la Universitatea Aalto
Cercetătorii vor continua să lucreze la îmbunătățiri îndesign, materiale și timpi de poartă unimon să depășească ținta de precizie de 99,99% pentru a crea un avantaj cuantic util și corectarea eficientă a erorilor în dispozitivele practice bazate pe un număr mare de qubiți.
Citeste mai mult:
Teoria principală a originii omului a fost infirmată: de unde venim
Au fost publicate rezultatele primului studiu cu medicamente pentru cancer
8 miliarde de oameni trăiesc acum pe Pământ: suprapopularea amenință planeta?