Твердотельный квантовый чип справился спервыми задачами
Квантовые компьютеры обещают миру огромную скорость обработки данных, но создать кроме того несложный «неклассический» экземпляр не так-то легко. Учёные из Йеля сделали ещё один ход навстречу будущему: им удалось создать двухкубитный твердотельный квантовый процессор и продемонстрировать, что он способен трудиться с несложными квантовыми методами.
Квантовые особенности частиц разрешают добиться впечатляющих результатов, но сложно создать квантовый аналог кремниевых устройств из простых материалов.
Поясним. В хороших компьютерах информация зашифрована в виде 0 и 1 (да/нет, включён/отключён). Любой бит памяти может принимать одно из этих двух значений.
Сочетание двух битов может принимать четыре значения 00, 11, 01 либо 10.
При квантовых битов (кубитов) из-за принципа квантовой суперпозиции в одной ячейке может размешаться как 0, так и 1, и их комбинация (00, 11, 01 и 10 в один момент) (более детально мы говорили об этом тут и тут). Как раз по данной причине квантовые совокупности смогут трудиться стремительнее и с громадными количествами информации.
Помимо этого, кубиты смогут быть запутаны: в то время, когда квантовое состояние одного кубита возможно обрисовано лишь во связи с состоянием другого (в твердотельных совокупностях квантовая запутанность была в первый раз осуществлена в бриллианте). Это свойство квантовых совокупностей употребляется для обработки информации.
Физикам под предводительством Леонардо Дикарло (Leonardo DiCarlo) из Центра квантовой и информационной физики Йеля (Yale Center for Quantum and Information Physics) в первый раз удалось создать квантовый твердотельный процессор.
Наконец-то квантовые процессоры стали похожи на простые компьютерные микросхемы (фото Blake Johnson/Yale University).
Ранее с целью проведения операций с кубитами нужно было применять лазеры, ядерный ионные ловушки и магнитный резонанс, пишут авторы в собственной статье, размещённой в издании Nature (её препринт кроме этого возможно обнаружитьсайте arXiv.org).
Но дабы приблизить появление настоящего квантового компьютера, нужно создать более несложную и менее чувствительную к колебательным процессам внешних условий машину. Это значит, что одну из главных рабочих частей (процессор) нужно создать из хороших жёстких материалов.
Дикарло и его сотрудники занялись как раз этим. Они выстроили устройство, которое оперирует двумя трансмонными кубитами (transmon qubit). Трансмон – это два фрагмента сверхпроводника, соединённых туннельными контактами.
В этом случае процессор является плёнкойсверхпроводящего материала (в его составе присутствует ниобий), нанесённую на подложку из корунда (оксида алюминия). На поверхности вытравлены канавки, ток может туннелировать через них (снова же в силу квантовых эффектов).
Два таких кубита (воображающих собой миллиарды атомов алюминия, находящихся в одном квантовом состоянии и действующих как единое целое) в новом чипе поделены полостью, которая есть собственного рода «квантовой шиной».
«Отечественные прошлые опыты продемонстрировали, что два неестественных атома возможно связать резонансной шиной, которая есть передатчиком микроволн», — говорит один из авторов работы Роберт Шёлькопф (Robert Schoelkopf).
Что крайне важно — для процессора учёные применяли стандартную разработку, используемую в современной индустрии.
Единственный минус нового чипа – низкая рабочая температура. Для поддержания сверхпроводимости устройство нужно охлаждать. Этим занимается особенная совокупность, которая поддерживает около него температуру чуть выше безотносительного нуля (порядка нескольких тысячных долей кельвина).
Схема двухкубитного устройства из Йеля, наложенная на фотографию процессора. На врезках внизу продемонстрированы трансмоны (иллюстрация Nature).
Кубиты эти смогут быть в состоянии квантовой сцепленности (что достигается посредством микроволн определённой частоты). Как продолжительно сохраняется это состояние, определяет импульс напряжения.
Учёные добились длительности сохранения в одну микросекунду (в отдельных случаях кроме того три микросекунды), что до тех пор пока есть пределом. Но всего десять лет назад это значение не превышало наносекунды, другими словами было в тысячу раз меньше.
Напомним, что чем продолжительнее держится запутанность, тем лучше для квантового компьютера, поскольку «долгие» кубиты смогут решать более непростые задачи.
В этом случае для исполнения двух разных задач процессор применял квантовые методы Гровера (Grover’s algorithm) и Дойча — Джоза (Deutsch-Jozsa algorithm). Процессор давал верный ответ в 80% случаев (при применении первого метода) и в 90% случаев (со вторым методом).
Кстати, считывание результата (состояния кубитов) кроме этого происходит посредством микроволн: в случае если частота колебаний соответствует той, что присутствует в полости, то сигнал проходит через неё.
«Резонансная частота полости зависит от того, в каком состоянии находится кубит. В случае если пропускаемое излучение проходит полностью, значит, он находится в „верном“ состоянии», — говорит Дикарло.
Эта работа физиков из Йеля (и учёных из канадских университетов Ватерлоо и Шербрука и технического университета Вены) есть без сомнений неповторимой, но применяемая разработка считывания может подкачать в более сложных совокупностях с громадным числом кубитов.
Дикарло уверен в том, что 3-4-кубитовый процессор (на базе данной разработки) будет создан уже в недалеком будущем, но чтобы сделать следующий ход (довести количество кубитов до 10), нужно совершить не меньше значимый прорыв.
«Отечественный процессор до тех пор пока может делать только пара несложных операций. Но у него имеется одно серьёзное преимущество – он всецело электронный и куда больше похож на простой процессор, чем все прошлые разработки», — говорит в пресс-релизе университета Шёлькопф.
Джорди Роуз (Geordie Rose), основной директор по разработкам D-Wave Systems, показывает последний квантовый компьютер, выстроенный в его компании (фото NY Times).
Неясно лишь, как новое достижение соотносится с продуктами компании D-Wave Systems, которая ещё в ноябре 2007 года заявила о создании 28-кубитного квантового компьютера.
Тогда производители поделились с физиками только частью информации о строении автомобили (почему работа была не хорошо принята научным сообществом), но разработка D-Wave весьма похожа на нынешнюю (мы писали об их 16-кубитном квантовом компьютере).
Кстати, к концу 2008 года D-Wave Systems давала слово представить на процессор и 1024-суд зрителей (правда, пока о подобном достижении не докладывалось).
В апреле 2009 года D-Wave Systems подсоединила собственный 128-кубитный чип к совокупности ввода-вывода, что случилось дальше, не светло. Достоверным сведеньям о итогах этого опыта до тех пор пока нет (фото D-Wave Systems).
Что же касается нынешней группы, то учёные планируют в будущем не только расширить количество кубитов (производительность с каждым добавленным кубитом растёт экспоненциально), но и продолжить время помощи связанных квантовых состояний, дабы иметь возможность трудиться с более сложными методами.
«Мы до тех пор пока ещё далеки от создания настоящего квантового компьютера, но однако сделали большой ход вперёд», — подводит промежуточный результат Шёлькопф.
