Ученые изобрели новый тип квантовых вычислений

Австралийские физики создали новый тип кубита – элементарной единицы для хранения информации в квантовом компьютере. И, по их мнению, мы наконец сможем создавать по-настоящему полномасштабные квантовые компьютеры. В общем смысле в настоящий момент существует два способна создания квантового компьютера. В одном случае это требует меньше места, но сами системы получаются невероятно сложными в производстве. В другом – системы получаются проще, но при этом приходится сносить пару стен, чтобы уместить такие махины в помещениях. Новое открытие ученых в данном случае может привести к компромиссу.

Некоторые исследователи используют проверенные способы захвата кубита, вроде стандартной модели захвата атомов, где используются так называемые ионные ловушки и оптические (лазерные) пинцеты, способные удерживать частицы достаточного долго, что позволяет провести анализ квантовых состояний этих частиц. Другие используют схемы на базе сверхпроводящих материалов, определяя состояние суперпозиций прямо внутри трудно уловимых электрических потоков.

Преимущество таких систем заключается в том, что технологии и оборудование, необходимые для этого, уже существуют. Это делает подобные методы относительно доступными и одновременно простыми. Основная цена, которую приходится платить, заключается в пространстве. А здесь технология позволяет создавать относительно небольшое количество кубитов. Создание и хранение сотен и тысяч кубитов внутри одного компактного компьютера сейчас кажется неосуществимой задачей.

Реализовав кодирование информации и в ядре, и в электроне атома ученые получили новый кремниевый кубит, который они назвали «триггерным кубитом». Его особенность в том, что он может управляться электрическими сигналами, вместо магнитных. Это означает, что такие кубиты могут поддерживать квантовую запутанность на более удаленном чем раньше расстоянии друг от друга, что делает проще и дешевле масштабируемое производство компьютеров.

«Если в обычной квантовой системе они будут находиться слишком близко или слишком далеко друг от друга, то «запутанность» между кубитами (то, что делает квантовые компьютеры такими особенными) не проявится», — говорит Гильерме Тоси, исследователь Университета Нового Южного Уэльса, придумавший новый тип кубита.

Триггерный же кубит будет способен находиться между двумя этими крайностями, предлагая настоящую квантовую запутанность на расстоянии в несколько сотен нанометров. Другими словами, это может быть именно то, что позволит производить масштабируемые квантовые компьютерные на основе кремниевых материалов.

Для прояснения: в настоящий момент у ученых имеется только схема такого устройства, они его еще не построили. Но как говорит Андреа Морелл, руководитель исследовательской группы, их достижение столь же важно, как и опубликованная в 1998 году в журнале Nature статья Брюса Кейна, положившая начало движения развития кремниевых квантовых вычислений.

«Как и работа Кейна, это лишь теория, предложение. Кубит мы еще не построили», — отмечает Морелло.

«У нас уже есть на руках некоторые начальные экспериментальные данные, которые указывают на возможность создания подобной системы, поэтому сейчас мы заняты тем, чтобы это продемонстрировать. Но в своей основе наша работа носит такой же визионерский взгляд, как это было в случае с оригинальной статьей Кейна».

Как уже указывалось выше, триггерный кубит работает благодаря кодированию информации внутри электрона и ядра атома фосфора, заключенного внутри кремниевого чипа и связан с набором электродов. Вся система затем охлаждается почти до абсолютного нуля и помещается внутрь магнитного поля.

Значение кубита определяется комбинацией бинарного свойства, называемого спином. Если этот спин открыт для электрона и закрыт для ядра, кубит приобретает общее значение «единицы». Если речь идет об обратном порядке, то кубит представляет собой «ноль». В этом случае управлять кубитом можно с помощью электрического поля, вместо магнитных сигналов, что дает сразу два преимущества. Во-первых, так гораздо проще интегрировать подобную систему в обычную электронную схему, а во-вторых, и что более важно — в этом случае кубиты способны взаимодействовать между собой на более удаленных расстояниях.

«Для управления кубитом, вам необходимо поместить электрон чуть дальше от ядра, используя электроды на чипе. Делая это, вы также создаете диполь», — говорит Тоси.

«Это критически важно. Так как эти диполи могут взаимодействовать между собой на более дальних расстояниях, вплоть до 1000 нанометров», — добавляет Морелло.

«Это означает, что кубиты на базе одного атома можно расположить гораздо дальше друг от друга, чем ранее считалось возможным. В таком случае появляется возможность интеграции в систему более классических компонентов, вроде соединительных каналов, управляющих электродов и считывающих устройств, в то же время сохраняя точную «атомную» природу квантового бита. Производство становится проще, чем устройств атомного уровня, при этом технология позволяет уместить миллион кубитов на площади в 1 квадратный миллиметр».

Все это в общем и целом означает, что триггерные кубиты позволят сохранить баланс между компактными и потенциально доступными квантовыми компьютерами будущего.

«Дизайн уникален и удивителен. И как множество концептуальных предложений заставляет задуматься о том, почему же никто раньше до такого не догадался», — говорит Морелло.

Результаты исследования ученых были опубликованы в журнале Nature Communications.