Твердотельный квантовый чип справился с первыми задачами
Квантовые компьютеры обещают миру гигантскую скорость обработки данных, однако разработать даже простейший «неклассический» экземпляр не так-то просто. Учёные из Йеля сделали ещё один шаг навстречу будущему: им удалось создать двухкубитный твердотельный квантовый процессор и показать, что он способен работать с простейшими квантовыми алгоритмами.
Квантовые свойства частиц позволяют добиться впечатляющих результатов, однако сложно создать квантовый аналог кремниевых устройств из обычных материалов.
Поясним. В классических компьютерах информация зашифрована в виде 0 и 1 (да/нет, включён/выключен). Каждый бит памяти может принимать одно из этих двух значений. Сочетание двух битов может принимать четыре значения 00, 11, 01 или 10.
В случае квантовых битов (кубитов), из-за принципа квантовой суперпозиции в одной ячейке может располагаться как 0, так и 1, а также их комбинация (00, 11, 01 и 10 одновременно) (более подробно мы рассказывали об этом здесь и здесь). Именно по этой причине квантовые системы могут работать быстрее и с большими объёмами информации.
Кроме того, кубиты могут быть запутаны: когда квантовое состояние одного кубита может быть описано только во взаимосвязи с состоянием другого (в твердотельных системах квантовая запутанность была впервые осуществлена в алмазе). Это свойство квантовых систем используется для обработки информации.
Физикам под предводительством Леонардо Ди Карло (Leonardo DiCarlo) из Центра квантовой и информационной физики Йеля (Yale Center for Quantum and Information Physics) впервые удалось создать квантовый твердотельный процессор.
Ранее для проведения операций с кубитами необходимо было использовать лазеры, ядерный магнитный резонанс и ионные ловушки, пишут авторы в своей статье, опубликованной в журнале Nature (её препринт также можно найти на сайте arXiv.org).
Но чтобы приблизить появление настоящего квантового компьютера необходимо создать машину более простую и менее чувствительную к колебаниям внешних условий. Это значит, что одну из основных рабочих частей (процессор) желательно создать из классических твёрдых материалов.
Ди Карло и его коллеги занялись именно этим. Они построили устройство, которое оперирует двумя трансмонными кубитами (transmon qubit). Трансмон – это два фрагмента сверхпроводника, соединённых туннельными контактами.
В данном случае процессор представляет собой плёнку сверхпроводящего материала (в его составе присутствует ниобий), нанесённую на подложку из корунда (оксида алюминия). На поверхности вытравлены канавки, ток может туннелировать сквозь них (опять же в силу квантовых эффектов).
Два таких кубита (представляющие собой миллиарды атомов алюминия, находящиеся в одном квантовом состоянии и действующие как единое целое) в новом чипе разделены полостью, которая является своего рода «квантовой шиной».
«Наши прежние эксперименты показали, что два искусственных атома можно связать резонансной шиной, которая является передатчиком микроволн», — говорит один из авторов работы Роберт Шёлькопф (Robert Schoelkopf).
Что очень важно — для создания процессора учёные использовали стандартную технологию, применяемую в современной промышленности.
Единственный минус нового чипа – низкая рабочая температура. Для поддержания сверхпроводимости устройство необходимо охлаждать. Этим занимается особая система, которая поддерживает вокруг него температуру чуть выше абсолютного нуля (порядка нескольких тысячных долей кельвина).
Кубиты эти могут находиться в состоянии квантовой сцепленности (что достигается с помощью микроволн определённой частоты). Как долго сохраняется это состояние, определяет импульс напряжения.
Учёные добились длительности сохранения в одну микросекунду (в отдельных случаях даже три микросекунды), что пока является пределом. Но всего десять лет назад это значение не превышало наносекунды, то есть было в тысячу раз меньше.
Отметим, что чем дольше держится запутанность, тем лучше для квантового компьютера, так как «длительные» кубиты могут решать более сложные задачи.
В данном случае для выполнения двух различных задач процессор использовал квантовые алгоритмы Гровера (Grover’s algorithm) и Дойча — Джоза (Deutsch-Jozsa algorithm). Процессор давал верный ответ в 80% случаев (в случае использования первого алгоритма) и в 90% случаев (во втором случае).
Кстати, считывание результата (состояния кубитов) также происходит с помощью микроволн: если частота колебаний соответствует той, что присутствует в полости, то сигнал проходит сквозь неё.
«Резонансная частота полости зависит от того, в каком состоянии находится кубит. Если пропускаемое излучение проходит насквозь, значит, он находится в «правильном» состоянии», — говорит Ди Карло.
Данная работа физиков из Йеля (а также учёных из канадских университетов Ватерлоо и Шербрука и технического университета Вены) является несомненно уникальной, однако используемая технология считывания может подкачать в более сложных системах с большим количеством кубитов.
Ди Карло считает, что 3-4-кубитовый процессор (на базе данной разработки) будет создан уже в скором времени, но для того чтобы сделать следующий шаг (довести количество кубитов до 10) необходимо будет совершить не менее значимый прорыв.
«Наш процессор пока может выполнять лишь несколько простейших операций. Но у него есть одно важное достоинство – он полностью электронный, и куда больше похож на обычный микропроцессор, чем все предыдущие разработки», — говорит в пресс-релизе университета Шёлькопф.
Тогда производители поделились с физиками лишь частью информации о строении машины (из-за чего работа была плохо принята научным сообществом), но разработка D-Wave очень похожа на нынешнюю (мы писали об их 16-кубитном квантовом компьютере).
Кстати, к концу 2008 года D-Wave Systems обещала представить на суд зрителей 1024-кубитный процессор (правда, пока о подобном достижении не докладывалось).
Что же касается нынешней группы, то учёные планируют в дальнейшем не только увеличить количество кубитов (производительность с каждым добавленным кубитом растёт экспоненциально), но и увеличить время поддержки связанных квантовых состояний, чтобы иметь возможность работать с более сложными алгоритмами.
«Мы всё ещё далеки от создания настоящего квантового компьютера, но всё же сделали значительный шаг вперёд», — говорит Шёлькопф.
Свежие комментарии