Преодолено одно из ограничений для практических квантовых компьютеров

8 мая 2020 г., 18:05

Исследование, подтверждающее концепцию, обещает более теплые, дешевые и надежные квантовые вычисления. И это может быть изготовлено с использованием обычных кремниевых чипов.

Большинство квантовых компьютеров, разрабатываемых по всему миру, будут работать только на доли градуса выше абсолютного нуля. Такое охлаждения стоит несколько миллионов долларов, и как только вы подключите их к обычным электронным цепям, они сразу же перегреются.
Но теперь исследователи во главе с проф. Эндрю Дзураком (Andrew Dzurak) из UNSW в Сиднее решили эту проблему.

«Наши новые результаты открывают путь от экспериментальных устройств к недорогим квантовым компьютерам для реальных деловых и правительственных приложений», - говорит проф. Дзурак.

Ячейка квантового процессора, созданная исследователями на кремниевом чипе, работает при температуре 1,5 Кельвина - в 15 раз выше, чем основная конкурирующая технология на основе чипов, разрабатываемая Google, IBM и другими, в которой используются сверхпроводящие кубиты.

«Это все еще очень холодно, но это температура, которую можно достичь, используя охлаждение всего за несколько тысяч долларов, а не миллионы долларов, необходимых для охлаждения чипсов до 0,1 Кельвина», - объясняет Дзурак.

«Хотя это трудно оценить, используя наши повседневные представления о температуре, это увеличение является экстремальным в квантовом мире».

Ожидается, что квантовые компьютеры превзойдут обычные при решении ряда важных проблем, от точного изготовления лекарств до алгоритмов поиска. Однако разработка такого устройства, которое может быть изготовлено и эксплуатироваться в реальных условиях, представляет собой серьезную техническую проблему.

Исследователи из UNSW считают, что они преодолели одно из самых трудных препятствий на пути к тому, чтобы квантовые компьютеры стали реальностью.

В статье, опубликованной в журнале Nature, команда проф. Дзурака вместе с сотрудниками в Канаде, Финляндии и Японии сообщают о проверенной концепции элементарной ячейки квантового процессора, которая, в отличие от большинства разработок, проводимых во всем мире, не нуждается для работы в температуре ниже одной десятой градуса Кельвина.

Команда проф. Дзурака впервые объявила о своих экспериментальных результатах через академический допечатный архив в феврале прошлого года. Затем, в октябре 2019 года, группа в Нидерландах во главе с бывшим постдокторантом-исследователем в группе Дзурака Менно Вельдхорстом (Menno Veldhorst) объявила аналогичный результат, используя ту же кремниевую технологию, разработанную в UNSW в 2014 году.

Кубитные пары являются фундаментальными блоками квантовых вычислений. Как и его классический вычислительный аналог - бит - каждый кубит характеризует два состояния, 0 или 1 для создания двоичного кода. Однако, в отличие от бита, он может одновременно проявлять оба состояния, что называется суперпозицией.

Элементарная ячейка, разработанная командой проф. Дзурака, состоит из двух кубитов, заключенных в пару квантовых точек, встроенных в кремний. В увеличенном масштабе результат может быть изготовлен с использованием существующих заводов по производству кремниевых чипов, и он будет работать без охлаждения за несколько миллионов долларов. Также будет легче интегрироваться с обычными кремниевыми чипами, которые понадобятся для управления квантовым процессором.

Например, квантовому компьютеру, способному выполнять сложные вычисления, необходимые для разработки новых лекарств, потребуются миллионы пар кубитов, и обычно считается, что до него осталось не менее десяти лет. Эта потребность в миллионах кубитов представляет собой большую проблему для разработчиков.

«Каждая пара кубитов, добавленная в систему, увеличивает общее количество вырабатываемого тепла, - объясняет проф. Дзурак, - и добавленное тепло приводит к ошибкам. Именно поэтому нынешние конструкции необходимо поддерживать при температуре столь близкой к абсолютному нулю».

Перспектива использования квантовых компьютеров с достаточным количеством кубитов при температурах, намного более низких, чем в глубоком космосе, является пугающей, дорогой и доводит технологию охлаждения до предела.

Команда UNSW, однако, создала элегантное решение проблемы, инициализируя и «считывая» пары кубитов с помощью туннелирования электронов между двумя квантовыми точками.

Эксперименты, доказывающие концепцию, были выполнены доктором Генри Янгом (Henry Yang) из команды UNSW.

Преодолено одно из ограничений для практических квантовых компьютеров