Resultaten av en studie av en ny supraledande qubit, publicerad i tidskriften Nature Communications, visar
Supraledande qubits
Traditionella beräkningsmodeller förlitar sig påfysiska lösningar som motsvarar den klassiska mekanikens lagar. Så fungerar till exempel de flesta moderna processorer. Quantum computing använder fenomen som uppstår i skalan av atomer och subatomära partiklar för att kommunicera och bearbeta information.
Det finns olika modeller av kvantberäkning,de mest populära involverar dock användningen av qubits och quantum grindar. Kom ihåg att en qubit är ett system med två möjliga tillstånd, som kan vara i ett av dem eller i en superposition av båda. En kvantgrind är ett grundläggande element i en digital krets som utför en elementär logisk operation. Den beskriver hur tillståndet för qubits kommer att förändras, med hänsyn till de initiala värdena, efter att ha tillämpat en viss lag på dem.
Eftersom kvanteffekter endast visas iI ultrasmå skalor är det en extremt svår uppgift att skapa qubits och grindar. Av de många tillvägagångssätten för att bygga användbara kvantdatorer har supraledande qubits vunnit mest popularitet. För att skapa dem använder ingenjörer temperaturer nära absolut noll, vid vilka kvanteffekter börjar uppträda på makronivå. Det är till exempel denna teknik som används av de nyligen introducerade IBM-kvantprocessorerna som innehåller rekord på 433 qubits.
cooper par och transmon
I en supraledare är de flesta laddningsbärareär Cooper-par. Detta är ett bundet tillstånd av två elektroner som interagerar genom en fonon. Den har noll spin och en laddning lika med två gånger laddningen av en elektron. Det är dessa partiklar, som fungerar som en helhet, som används för kvantberäkning.
Den enklaste laddningen qubit, eller blockCooper-par är ett element vars tillstånd avgör närvaron eller frånvaron av överskott av Cooper-par på ön. En sådan komponent bildas av en liten supraledande ö ansluten till en supraledande reservoar genom en Josephson-övergång. I denna korsning undertrycks den kritiska strömmen, och en tunnelström flyter genom ett tunt isolerande eller icke-supraledande skikt mellan de två supraledarna.
Tillståndet för qubit beror på antaletCooper-par som tunnlade genom anslutningen. Tunneleffekten används för att designa kvantanharmoniska oscillatorer som fungerar som qubits.
Schematiskt diagram över en laddnings-qubit-krets. Ön bildas av en supraledande elektrod mellan gate-kondensatorn och junction-kapacitansen. Bild: ETH
Laddningsqubits görs med hjälp avteknologier som liknar dem som används inom mikroelektronik. Enheterna skapas vanligtvis på kisel- eller safirskivor med hjälp av elektronstrålelitografi och förångning av tunn metallfilm.
I detta fall bildas Josephson-korsningar medmed hjälp av skuggavdunstning. Detta är en process där modermetallen växelvis avdunstar i två vinklar genom en litografiskt definierad mask i en elektronstråleresist. Detta resulterar i bildandet av två överlappande lager av supraledande metall, mellan vilka ett tunt lager av isolator avsätts.
Även om sådana qubits är ganska lätta att göra medGenom att använda mogen teknik som används i klassiska datorer inkluderar deras nackdelar snabb dekoherens (nedbrytning av intrassling) under påverkan av externt brus. För att kvantdatorer ska kunna utföra användbara beräkningar måste informationen de innehåller vara nära 100 % korrekt. Laddningsbrus orsakat av ofullkomligheten i den materiella miljön där qubitarna finns påverkar informationens noggrannhet negativt.
En IBM-enhet som består av fyra transmons. Bild: Jay M. Gambetta et al., Quantum Information
För att öka "livslängden" för sådana qubits, i2007 slutförde forskare från Yale University systemet och skapade transmonen. Detta är ett block av Cooper-par, där Josephson-korsningarna dessutom shuntas med en stor kapacitiv kondensator. Minskningen i känslighet för kapacitivt brus resulterade i en ökning av koherenstiden från 1–2 ns för ett block av Cooper-par till nästan 100 ns för en transmon.
Unimon är en ny supraledande qubit
Konstnärlig illustration av en unimon i en kvantprocessor. Bild: Alexander Kakinen, Aalto-universitetet
Trots betydande framsteg i utvecklingenKvantberäkningar, qubit-designer och metoder som för närvarande används ger inte tillräckligt hög prestanda för utbredd praktisk användning. Komplexiteten i de implementerade beräkningarna begränsas främst av fel i kvantelement med en och två kvantbitar.
För att lösa detta problem, forskareutvecklat en ny typ av supraledande qubit. De kombinerar ökad anharmonicitet (avvikelse av systemets energi från harmoniska "fluktuationer"), fullständig okänslighet för DC-brus, reducerad känslighet för magnetiskt brus och en enkel struktur.
Enheten består av en Josephsonen korsning shuntad av en linjär induktor, och en kondensator som arbetar i ett läge där den induktiva energin huvudsakligen kompenseras av Josephson-energin. Denna egenskap resulterar i en hög nivå av anharmonicitet med full immunitet mot lågfrekvent laddningsljud och partiellt skydd mot flödesljud, konstaterar forskarna.
För den experimentella demonstrationen av unimon, forskaredesignade och tillverkade chips, var och en bestående av tre unimon qubits. De använde niob som supraledande material, med undantag för Josephson-kontakter, där de supraledande ledningarna var gjorda av aluminium.
Vänster:Mikroskopisk bild i falsk färg av ett kiselchip som innehåller tre unimoner (blå) tillsammans med deras avläsningshåligheter (röd), drivledningar (grön) och sondanslutningsledning (gul). Höger: En förenklad experimentuppställning som används för att mäta unimons. Bild: Eric Hyyppä et al., Nature Communications
Med sina enheter har forskare uppnåttnoggrannhet från 99,8 % till 99,9 % för 13 ns enkel-qubit-grindar på tre olika unimon-qubits. Forskarna noterar att på grund av den högre anharmoniciteten eller icke-linjäriteten än i transmons, kan unimons bearbetas snabbare, vilket resulterar i färre fel per operation.
Unimons är väldigt enkla men har många fördelar.framför transmonerna. Det faktum att den allra första unimon som någonsin skapats fungerade så bra öppnar upp för mycket utrymme för optimering och stora genombrott.
Mikko Mettonen, professor i kvantteknologi vid Aalto-universitetet
Forskare kommer att fortsätta arbeta med förbättringar inomdesign, material och unimon gate-tider för att överskrida målet på 99,99% noggrannhet för att skapa en användbar kvantfördel och effektiv felkorrigering i praktiska enheter baserat på ett stort antal kvantbitar.
Läs mer:
Huvudteorin om människans ursprung vederlagdes: var kom vi ifrån
Resultat från första cancerläkemedelsprövning publicerade
8 miljarder människor lever nu på jorden: hotar överbefolkning planeten?