Дата публикации: 03.08.2020
Научная мысль близка к реализации
мечты о квантовых компьютерах
как никогда раньше.
Оптическая микрофотография изображает чип с двумя сверхпроводящими кубитами (жёлтого цвета), выступающими в качестве гигантских искусственных атомов. Каждый гигантский атом соединяется с волноводом (синего цвета) в трёх отдельных и хорошо разделённых местах. Это создаёт эффективную систему включения-выключения, которая обеспечивает высокоточную работу и взаимосвязь между процессами внутри логического устройства.
Исследователи Массачусетского Технологического Института представили научному сообществу свою архитектуру квантовых вычислений, у которой имеется немало преимуществ по отношению к предыдущим решениям. Но в качестве наиболее важных и понятных обывателю выделить из них можно всего два: это незначительность ошибок при выполнении квантовых вычислений и быстрый обмен информацией между процессорами. Несмотря на простоту формулировок этих достоинств, следует отметить, что проделанная инженерами работа представляет собой ключевое достижение на пути к созданию полнофункциональной платформы квантовых вычислений.
Да, если вы интересуетесь этой темой, вы знаете, что небольшие квантовые чипы уже выполняли задачи со значительно большей скоростью, чем у обычных компьютерных процессоров. Это было крайне воодушевляющим успехом, но, как и всё, что создаётся впервые, имело ряд недостатков, и первый из них – трудности в контроле передачи квантовой информации между удалёнными частями процессора. В классических устройствах маршрутизация информации во время вычислений оперирует двумя направлениями – назад и вперёд – по всему процессору. Но в квантовом компьютере всё совершенно по-другому, и прежде всего потому, что сама информация здесь имеет квантово-механическую природу и является весьма и весьма хрупкой. Нам требуются принципиально новые стратегии для одновременной обработки и передачи квантовой информации по чипу.
«Одна из основных проблем при масштабировании квантовых компьютеров заключается в том, чтобы позволить квантовым битам взаимодействовать друг с другом, когда они не находятся в одном месте», – раскрывает первопричину этих трудностей Уильям Оливер, доцент кафедры электротехники и информатики, сотрудник лаборатории Линкольна в MIT и замдиректора научно-исследовательской лаборатории электроники. – «Например, кубиты ближайшего соседа могут легко взаимодействовать, но как мне сделать «квантовые межсоединения», которые соединяют кубиты в отдалённых местах?»
Ответ звучит просто восхитительно и фантастично: нужно выйти за рамки обычных взаимодействий света и материи.
Тут могла бы быть эпичная музыка, отражающая всю вдохновенную глобальность и непреодолимость возникшей перед учёными мужами преграды, но исследователи – как чуждые искусствам вообще и драматургии в частности люди, – как обычно всё испортили. Они лишь пожали плечами и молвили: «Делов-то».
В общем, объяснение, изложенное в журнале Nature, сводится к следующему: атомы в природе невообразимо (но вполне исчислимо) меньше длины световой волны, с которой они взаимодействуют, но эта разница не допустима для сверхпроводящих «искусственных атомов». Поэтому было решено построить «гигантские атомы» из сверхпроводящих квантовых битов (они же кубиты), соединённых в настраиваемой конфигурации с линией передачи посредством линии микроволновой передачи или волноводом.
Это позволяет исследователям регулировать силу взаимодействий кубит-волновод так, чтобы хрупкие кубиты могли быть защищены от потери квантового состояния и перехода в смешанное или классическое (это явление так называемой декогеренции – одного из фундаментальных процессов во вселенной наряду с обратной ей рекогеренцией). Другими словами, мельчайшие носители информации теперь стали менее подвержены естественному распаду во время высокоточных вычислений, что в противном случае ускорилось бы волноводом. Как только операции выполнены, сила связей волновода кубита перенастраивается, благодаря чему кубиты могут выпускать квантовые данные в волновод в форме фотонов или лёгких частиц.
«Соединение кубита с волноводом обычно очень плохо для операций кубита, поскольку это может значительно сократить время жизни кубита», – говорит Бхарат Каннан, аспирант MIT и первый автор статьи. «Однако волновод необходим для того, чтобы высвобождать и направлять квантовую информацию по всему процессору. Здесь мы показали, что можно сохранить когерентность кубита, даже если он сильно связан с волноводом. Затем у нас есть возможность определить, когда мы хотим выпустить информацию, хранящуюся в кубите. Мы показали, как гигантские атомы могут использоваться для включения и выключения взаимодействия с волноводом».
Исследователи утверждают, что реализованная система представляет новый режим взаимодействия света с веществом. В отличие от моделей, которые рассматривают атомы как точечные объекты (меньшие, чем длина волны света, с которым они взаимодействуют), сверхпроводящие кубиты, или искусственные атомы, по существу представляют собой большие электрические цепи. В сочетании с волноводом они создают структуру, равную длине волны микроволнового света, с которым они взаимодействуют, что и создаёт чудесные возможности для контроля этих связей.
Другой аспект в том, что гигантский атом излучает информацию в виде микроволновых фотонов в нескольких местах вдоль всего волновода, из-за чего фотоны могут мешать друг другу. Теперь же, с системой включения-выключения, обеспечивающей точную регулировку взаимосвязей, этот процесс может быть подкорректирован с довольно высокой эффективностью – вплоть до прекращения разрушительных помех и воздействия извне. А это означает, что информация в кубите теперь защищена. Кроме того, при отсутствии высвобожденных из гиганта фотонов, множественные кубиты вдоль волновода по-прежнему могут взаимодействовать друг с другом для выполнения операций. Повсюду кубиты остаются сильно связанными с волноводом, но из-за этого типа квантовой интерференции они могут оставаться незатронутыми им и быть защищены от декогеренции (распада), в то время как операции с одним и двумя кубитами выполняются с высокой точностью.
«Мы используем квантовые интерференционные эффекты, обеспечиваемые гигантскими атомами, чтобы не дать кубитам излучать свою квантовую информацию в волновод, пока она нам не понадобится», – говорит Оливер.
«Влияния гигантского атома чрезвычайно чисты, их легко наблюдать и понимать», – поддерживает Каннан и добавляет, что эта работа имеет большой потенциал для дальнейших исследований. – «Это позволяет нам экспериментально изучать неизвестный физический режим, к которому трудно подступиться с атомамиестественной природы».
Учёные довольны собой и результатами проделанной работы. Конечно, всё было не так просто, но и без везения не обошлось. Тот же Каннан замечает: «Одним из сюрпризов является относительная лёгкость, с которой сверхпроводящие кубиты могут войти в этот гигантский атомный режим», – и, как всякий учёный, тут же переключается на полезность этой лёгкости – «Уловки, которые мы использовали, относительно просты, и, как таковые, можно себе представить, как использовать это для дальнейших приложений без значительных дополнительных затрат».
Андреас Вальрафф, профессор физики твёрдого тела в ETH Zurich, говорит, что данная разработка «исследует часть квантовой физики, которую трудно или даже невозможно понять для микроскопических объектов, таких как электроны или атомы, но которые можно изучить с помощью макроскопически спроектированного сверхпроводящего кванта Схемы. С помощью этих схем, используя хитрый трюк, они способны как защитить свой гигантский атом от распада, так и в то же время обеспечить согласованное соединение двух из них. Это очень хорошая работа по изучению волноводной квантовой электродинамики».
Время пребывания кубитов, включённых в гигантские атомы, в квантовом состоянии (время так называемой когерентности) составляло приблизительно 30 микросекунд. В среднем почти то же самое справедливо и для кубитов, не связанных с волноводом – согласно исследователям, их диапазон от 10 до 100 микросекунд.
Кроме описанных находок, исследование демонстрирует ещё один успех: точность запутывания операций с двумя кубитами составила 94%. Это стало первым случаем, когда исследователи процитировали двухбитную точность для кубитов, которые были сильно связаны с волноводом. Дело в том, что в приведённой архитектуре точность такой операции при использовании обычных малых атомов часто является слишком низкой. По словам Каннана, благодаря более тщательной калибровке, настройкам и оптимизации дизайна оборудования точность может быть ещё улучшена.
По материалам MITNews