Вчені винайшли новий тип квантових обчислень

Австралійські фізики створили новий тип кубіта – елементарної одиниці для зберігання інформації в квантовому комп'ютері. І, на їхню думку, ми нарешті зможемо створювати по-справжньому повномасштабні квантові комп'ютери. В загальному розумінні в даний момент існує два здатна створення квантового комп'ютера. В одному випадку це вимагає менше місця, але самі системи виходять неймовірно складними у виробництві. В іншому – системи виходять простіше, але при цьому доводиться зносити пару стін, щоб вмістити такі махини у приміщеннях. Нове відкриття вчених в даному випадку може призвести до компромісу.

Деякі дослідники використовують перевірені способи захоплення кубіта, зразок стандартної моделі захоплення атомів, де використовуються так звані іонні пастки і оптичні (лазерні) пінцети, здатні утримувати частинки достатнього довго, що дозволяє провести аналіз квантових станів цих частинок. Інші використовують схеми на базі надпровідних матеріалів, визначаючи стан суперпозиций прямо всередині важко вловимих електричних потоків.

Перевага таких систем полягає в тому, що технології та обладнання, необхідні для цього, вже існують. Це робить подібні методи щодо доступними і одночасно простими. Основна ціна, яку доводиться платити, полягає в просторі. А тут технологія дозволяє створювати відносно невелика кількість кубітів. Створення і зберігання сотень і тисяч кубітів всередині одного компактного комп'ютера зараз здається нездійсненним завданням.

Реалізувавши кодування інформації та в ядрі, і в електроні атома вчені отримали новий кремнієвий кубіт, який вони назвали «тригерним кубитом». Його особливість у тому, що він може управлятися електричними сигналами, замість магнітних. Це означає, що такі кубіти можуть підтримувати квантова заплутаність на більш віддаленому ніж раніше відстані один від одного, що робить простіше і дешевше масштабоване виробництво комп'ютерів.

«Якщо у звичайній квантовій системі вони будуть знаходитися дуже близько або занадто далеко один від одного, то «заплутаність» між кубітами (те, що робить квантові комп'ютери такими особливими) не виявиться», — говорить Гільєрме Тосі, дослідник Університету Нового Південного Уельсу, придумав новий тип кубіта.

Критичний ж кубіт буде здатний знаходитися між двома цими крайнощами, пропонуючи справжню квантова заплутаність на відстані в кілька сотень нанометрів. Іншими словами, це може бути саме те, що дозволить виробляти масштабовані квантові комп'ютерні на основі кремнієвих матеріалів.

Для прояснення: зараз у вчених є лише схема такого пристрою, вони його ще не збудували. Але як каже Андреа Морелл, керівник дослідницької групи, їх досягнення настільки ж важливо, як і опублікована в 1998 році в журналі Nature стаття Брюса Кейна, що поклала початок руху розвитку кремнієвих квантових обчислень.

«Як і робота Кейна, це лише теорія, пропозиція. Кубіт ми ще не побудували», — відзначає Морелло.

«У нас вже є на руках деякі початкові експериментальні дані, які вказують на можливість створення подібної системи, тому зараз ми зайняті тим, щоб це продемонструвати. Але в своїй основі наша робота носить такий же визионерский погляд, як це було у випадку з оригінальною статтею Кейна».

Як вже зазначалося вище, критичний кубіт працює завдяки кодуванню інформації всередині електрона і ядра атома фосфору, укладеного всередині кремнієвого чіпа і пов'язаний з набором електродів. Вся система потім охолоджується майже до абсолютного нуля і поміщається всередину магнітного поля.

Значення кубіта визначається комбінацією бінарного властивості, званого спіном. Якщо цей спін відкритий для електрона і закритий для ядра, кубіт набуває загального значення «одиниці». Якщо мова йде про зворотному порядку, то кубіт являє собою «нуль». У цьому випадку управляти кубитом можна за допомогою електричного поля, замість магнітних сигналів, що дає відразу дві переваги. По-перше, так набагато простіше інтегрувати подібну систему в звичайну електронну схему, а по-друге, і що більш важливо — в цьому випадку кубіти здатні взаємодіяти між собою на більш віддалених відстанях.

«Для управління кубитом, вам необхідно помістити електрон трохи далі від ядра, використовуючи електроди на чіпі. Роблячи це, ви також створюєте диполь», — говорить Тосі.

«Це критично важливо. Так як ці диполі можуть взаємодіяти між собою на більш далеких відстанях, аж до 1000 нанометрів», — додає Морелло.

«Це означає, що кубіти на базі одного атома можна розташувати набагато далі один від одного, ніж раніше вважалося можливим. В такому випадку з'являється можливість інтеграції в систему більш класичних компонентів, начебто з'єднувальних каналів, керуючих електродів і зчитувальних пристроїв, в той же час зберігаючи точну «атомну» природу квантового біта. Виробництво стає простіше, ніж пристроїв атомного рівня, при цьому технологія дозволяє вмістити мільйон кубітів на площі 1 квадратний міліметр».

Все це загалом і в цілому означає, що тригерні кубіти дозволять зберегти баланс між компактними і потенційно доступними квантовимикомп'ютерами майбутнього.

«Дизайн унікальний і дивовижний. І як безліч концептуальних пропозицій змушує задуматися про те, чому ж ніхто раніше до такого не здогадався», — говорить Морелло.

Результати дослідження вчених були опубліковані в журналі Nature Communications.