Движение – жизнь. Даже для квантовых данных.

Источник. 

Две миллисекунды, или две тысячные доли секунды, – для квантовых вычислений это невероятно долго, а моргание глаза, продолжительностью в одну десятую секунды, и подавно похоже на вечность. Но при всей скорости вычислительных систем, нам категорически необходимо иметь возможность сохранять данные в кубите столько, сколько потребуется для проведения с ними этих самых квантовых вычислений. Это время, в течение которого кубиты могут манипулировать всё более сложными вычислениями, называется «временем когерентности».

И теперь оно у нас есть: группа исследователей из Университета Нового Южного Уэльса в Сиднее доказала, что «спиновые кубиты» – как основные единицы информации в квантовых компьютерах, – могут хранить её до двух миллисекунд. Такое достижение, более чем в 100 раз превышающее предыдущие эталонные тесты, просто открывает новые горизонты.

«Более длительное время когерентности означает, что у вас есть больше времени для хранения вашей квантовой информации – это именно то, что вам нужно при выполнении квантовых операций, – говорит аспирант Аманда Сидхаус, чья работа в области теоретических квантовых вычислений значительно способствовала успеху исследования. – Время когерентности в основном говорит вам, как долго вы можете выполнять все операции в любом алгоритме или последовательности, прежде чем вы потеряете всю информацию в своих кубитах».

Дело в том, что в квантовых вычислениях чем больше вы можете поддерживать спины в движении, тем больше шансов, что информация сохранится. Когда же спиновые кубиты останавливаются, расчёт рушится, и каждый кубит теряет свои значения. Эта концепция расширения когерентности получила экспериментальное подтверждение в 2016.

Однако больше всего усложняет задачу тот факт, что работающие квантовые компьютеры будущего должны будут отслеживать значения поистине колоссального числа кубитов. Так что если мы надеемся, что они помогут нам в решении самых больших проблем человечества вроде поиска эффективных вакцин, моделирования погодных систем и прогнозирования последствий изменения климата, то нам действительно не обойтись без способа увеличить время когерентности настолько, насколько это вообще возможно.

В конце прошлого года эта же команда исследователей решила одну крупную техническую проблему, десятилетиями загонявшую инженеров в тупик: как можно манипулировать миллионами кубитов, без увеличения тепла и помех. Вместо того, чтобы добавлять тысячи крошечных антенн для управления миллионами электронов с помощью магнитных волн, коллектив учёных из Университета Нового Южного Уэльса решил использовать всего одну антенну для управления всеми кубитами в чипе. Реализовано это было за счёт внедрения кристалла, называемого диэлектрическим резонатором. 

Такой приём решил проблему пространства, тепла и шума, которые в противном случае неизбежно будут нарастать по мере всё большего увеличения числа кубитов, включающихся в выполнение умопомрачительных вычислений. Тут нужно напомнить, что в этих условиях кубиты представляют не только 1 или 0, как биты обычных компьютеров, но и, повинуясь явлению квантовой суперпозиции, могут быть и тем, и другим одномоментно.

Глобальный и индивидуальный контроль

Как бы ни было весомо это достижение, всё же оно оставило без ответов несколько важных вопросов. Ингвильд Хансен,руководитель исследования, присоединилась к Сидхаус для их поисков в серии статей, опубликованных в журналах Physical Review B , Physical Review A и Applied Physics Reviews — последней статье, опубликованной на этой неделе.

Возможность управлять миллионами кубитов посредством одной антенны – это несомненно большой шаг вперёд, но каким бы большим ни был этот подвиг, чтобы действительно работать, квантовые компьютеры нуждаются в индивидуальном управлении каждым кубитом. Это обуславлевается до неприличия тривиальным фактом: если все спиновые кубиты будут двигаться с примерно одинаковой частотой, они будут иметь одинаковые значения. 

Как же мы можем управлять ими по отдельности, чтобы они могли представлять разные значения в расчётах?

«Сначала мы теоретически показали, что можем улучшить время когерентности, непрерывно вращая кубиты, – говорит г-жа Ингвильд Хансен, руководитель исследования. – Если представить артиста цирка, который крутит тарелки – пока они ещё вращаются, представление может продолжаться. Точно так же, если мы непрерывно двигаем кубиты, они могут хранить информацию дольше. Мы показали, что такие «одетые» кубиты обладают временем когерентности более 230 микросекунд [230 миллионных долей секунды]».

По осознании первых успехов и повторяемости результатов в виде увеличения времени когерентности поддержанием спина кубитов, команда поставила перед собой задачу сделать этот протокол более надёжным. А также, поскольку для сложных расчётов кубиты должны уметь принимать различные значения, нужно было обеспечить эту возможность индивидуального управления в том числе в условиях глобального контроля за электронами.

Вопрос решил новый разработанный командой протокол кубитов с синусоидальной модуляцией, постоянным вращением и адаптацией, получивший название «SMART». Таким образом вместо того, чтобы заставлять кубиты вращаться, исследователи заставили их раскачиваться взад-вперёд наподобие метронома. Получается, если к любому кубиту приложить индивидуальное электрическое поле, это выведет его из резонанса, после чего ему можно будет задать другой темп – не такой, как у соседей.  А главное – при разнице в темпах будет сохраняться ритм колебаний.

«Подумайте об этом, как о двух детях на качелях, которые синхронно качаются вперёд и назад, – говорит г-жа Сидхаус. – Если мы дадим одному из них толчок, мы можем заставить их достичь конца своей дуги на противоположных концах, так что один может быть 0, когда другой теперь 1».

В результате мы умеем теперь не только управлять кубитом индивидуально (то есть электронно), находясь под влиянием глобального управления (то есть – магнитно), но и увеличивать время когерентности, которое теперь значительно больше подходит для вожделенных квантовых вычислений.

«Мы продемонстрировали простой и элегантный способ одновременного управления всеми кубитами, который также обеспечивает более высокую производительность, – резюмирует доктор Генри Янг, один из старших исследователей в команде. – Протокол SMART станет потенциальным путём для полномасштабных квантовых компьютеров».

Однако всё, что сейчас есть – только теоретические выкладки и расчёты, а на практике всё это великолепие было применено пока только к одному кубиту. Так что дальнейшие исследования предполагают сначала подтвердить теорию на двух кубитах, а потом и на гораздо большем их количестве.

«Наша следующая цель, – говорит г-жа Хансен, – показать, что теория доказана на практике».

АРМК, по материалам UNSW.