Ukazujú výsledky štúdie nového supravodivého qubitu, publikovanej v časopise Nature Communications
Supravodivé qubity
Tradičné výpočtové modely sa spoliehajú nafyzikálne riešenia zodpovedajúce zákonom klasickej mechaniky. Takto funguje napríklad väčšina moderných procesorov. Kvantové výpočty využívajú na komunikáciu a spracovanie informácií javy, ktoré sa vyskytujú na úrovni atómov a subatomárnych častíc.
Existujú rôzne modely kvantových výpočtov,tie najpopulárnejšie však zahŕňajú použitie qubitov a kvantových brán. Pripomeňme, že qubit je systém s dvoma možnými stavmi, ktoré môžu byť v jednom z nich alebo v superpozícii oboch. Kvantová brána je základným prvkom digitálneho obvodu, ktorý vykonáva elementárnu logickú operáciu. Popisuje, ako sa zmení stav qubitov, berúc do úvahy počiatočné hodnoty, po aplikovaní určitého zákona na ne.
Keďže kvantové efekty sa prejavujú len vV ultra malých mierkach je vytváranie qubitov a brán mimoriadne náročná úloha. Z mnohých prístupov k budovaniu užitočných kvantových počítačov získali najväčšiu popularitu supravodivé qubity. Na ich vytvorenie inžinieri využívajú teploty blízke absolútnej nule, pri ktorých sa na makroúrovni začínajú objavovať kvantové efekty. Napríklad práve túto technológiu využívajú nedávno predstavené kvantové procesory IBM obsahujúce rekordných 433 qubitov.
cooper pár a transmon
V supravodiči je väčšina nosičov nábojasú Cooperove páry. Toto je viazaný stav dvoch elektrónov interagujúcich cez fonón. Má nulový spin a náboj rovný dvojnásobku náboja elektrónu. Práve tieto častice pôsobiace ako celok sa používajú na kvantové výpočty.
Najjednoduchší nabíjací qubit alebo blokCooperove páry sú prvkom, ktorého stav určuje prítomnosť alebo neprítomnosť nadbytočných Cooperových párov na ostrove. Takúto súčiastku tvorí maličký supravodivý ostrovček spojený Josephsonovým prechodom do supravodivého zásobníka. V tomto spojení je kritický prúd potlačený a tunelový prúd preteká cez tenkú izolačnú alebo nesupravodivú vrstvu medzi dvoma supravodičmi.
Stav qubitu závisí od číslaCooper páry, ktoré tunelovali cez spojenie. Efekt tunelovania sa používa na navrhovanie kvantových anharmonických oscilátorov, ktoré fungujú ako qubity.
Schematický diagram obvodu náboja qubit. Ostrov je tvorený supravodivou elektródou medzi hradlovým kondenzátorom a prechodovou kapacitou. Obrázok: ETH
Nabíjacie qubity sa vyrábajú pomocoutechnológie podobné tým, ktoré sa používajú v mikroelektronike. Zariadenia sú zvyčajne postavené na kremíkových alebo zafírových doštičkách pomocou elektrónovej lúčovej litografie a odparovania tenkého kovového filmu.
V tomto prípade sú Josephsonove križovatky vytvorené spomocou tieňového odparovania. Ide o proces, pri ktorom sa základný kov striedavo vyparuje v dvoch uhloch cez litograficky definovanú masku v odpore elektrónového lúča. To má za následok vytvorenie dvoch prekrývajúcich sa vrstiev supravodivého kovu, medzi ktorými je nanesená tenká vrstva izolantu.
Aj keď sa takéto qubity dajú celkom ľahko vyrobiťPri použití vyspelej technológie používanej v klasických počítačoch je ich nevýhodou rýchla dekoherencia (rozpad zapletenia) pod vplyvom vonkajšieho šumu. Aby kvantové počítače mohli vykonávať užitočné výpočty, informácie, ktoré obsahujú, musia byť takmer 100% presné. Šum pri nabíjaní spôsobený nedokonalosťou materiálového prostredia, v ktorom sa qubity nachádzajú, negatívne ovplyvňuje presnosť informácií.
Zariadenie IBM pozostávajúce zo štyroch transmonov. Obrázok: Jay M. Gambetta a kol., Quantum Information
Pre zvýšenie „životnosti“ takýchto qubitov, vV roku 2007 výskumníci z Yale University dokončili systém a vytvorili transmon. Ide o blok Cooperových párov, v ktorom sú Josephsonove prechody dodatočne prepojené veľkým kapacitným kondenzátorom. Zníženie citlivosti na kapacitný šum viedlo k zvýšeniu času koherencie z 1–2 ns pre blok Cooperových párov na takmer 100 ns pre transmón.
Unimon je nový supravodivý qubit
Umelecká ilustrácia unimona v kvantovom procesore. Obrázok: Aleksandr Kakinen, Univerzita Aalto
Napriek výraznému pokroku vo vývojiKvantové výpočty, qubitové návrhy a metódy, ktoré sa v súčasnosti používajú, neposkytujú dostatočne vysoký výkon na široké praktické využitie. Zložitosť realizovaných výpočtov limitujú najmä chyby v kvantových prvkoch s jedným a dvoma qubitmi.
Na vyriešenie tohto problému výskumnícivyvinul nový typ supravodivého qubitu. Kombinujú zvýšenú anharmonicitu (odchýlka energie systému od harmonických „výkyvov“), úplnú necitlivosť na jednosmerný šum, zníženú citlivosť na magnetický šum a jednoduchú štruktúru.
Zariadenie pozostáva z jedného Josephsonaprechod presunutý lineárnym induktorom a kondenzátor pracujúci v režime, v ktorom je indukčná energia kompenzovaná hlavne Josephsonovou energiou. Táto vlastnosť vedie k vysokej úrovni anharmonicity s plnou imunitou voči nízkofrekvenčnému nábojovému hluku a čiastočnou ochranou pred hlukom prúdenia, poznamenávajú výskumníci.
Pre experimentálnu demonštráciu unimon, vedcinavrhnuté a vyrobené čipy, z ktorých každý pozostáva z troch unimon qubitov. Ako supravodivý materiál použili niób, s výnimkou kontaktov Josephson, v ktorých boli supravodivé vodiče vyrobené z hliníka.
Vľavo:Mikroskopická snímka silikónového čipu v umelej farbe, ktorý obsahuje tri unimony (modré) spolu s ich čítacími dutinami (červená), riadiacimi vedeniami (zelenými) a spojovacou čiarou sondy (žltá). Vpravo: Zjednodušené experimentálne nastavenie používané na meranie unimonov. Obrázok: Eric Hyyppä a kol., Nature Communications
So svojimi prístrojmi to vedci dosiahlipresnosť od 99,8 % do 99,9 % pre 13 ns single-qubit gates na troch rôznych unimon qubitoch. Výskumníci poznamenávajú, že vďaka vyššej anharmonicite alebo nelinearite ako v transmonoch sa s unimonmi dá pracovať rýchlejšie, čo má za následok menej chýb na operáciu.
Unimoni sú veľmi jednoduché, ale majú veľa výhod.pred transmónmi. Skutočnosť, že vôbec prvý vytvorený unimon fungoval tak dobre, otvára veľa priestoru pre optimalizáciu a zásadné objavy.
Mikko Mettonen, profesor kvantovej technológie na univerzite Aalto
Výskumníci budú pokračovať v práci na vylepšeniach vdizajn, materiály a časy unimon gate, aby prekročili cieľ 99,99% presnosti, aby sa vytvorila užitočná kvantová výhoda a účinná korekcia chýb v praktických zariadeniach založených na veľkom počte qubitov.
Čítaj viac:
Hlavná teória o pôvode človeka bola vyvrátená: odkiaľ sme prišli
Zverejnené výsledky prvej štúdie s liekmi na rakovinu
Na Zemi teraz žije 8 miliárd ľudí: ohrozuje planétu preľudnenie?