Інноваційний квантовий чіп подолав велику перешкоду в галузі

Квантові фізики Копенгагенського університету зробили великий крок вперед у галузі квантової техніки, подолавши велику перешкоду. Команда одночасно керувала декількома спіновими кубітами на одному квантовому чіпі, що допоможе створити суперкомп’ютери.

Одна з основних перешкод для створення великого функціонального квантового комп’ютера полягає в керуванні багатьма базовими пристроями пам’яті, або кубітами, одночасно. Коли один кубіт керується, зазвичай виникає негативний ефект від одночасного керування іншим.

Команда, яка подолала цю перешкоду, включала двох квантових фізиків з Інституту Нільса Бора Копенгагенського університету – аспіранта і постдока Фредеріко Феделе та асистента професора Анасуа Чаттерджі. Двоє працювали в групі асоційованого професора Фердинанда Кюммета.

Дослідження було опубліковано в журналі Physical Review X Quantum.

Новий підхід з спіновими кубітами

Компанії, такі як Google (GOOGL ) і IBM, зосередилися на технології суперкондукторів для квантових процесорів, але дослідницька група розглядає напівпровідникові кубіти, або спінові кубіти.

“В широкому сенсі, вони складаються з електронних спінів, захоплених у напівпровідникових наноструктурах, які називаються квантовими точками, так що окремі спінові стани можуть бути керованими і заплутаними один з одним”, – говорить Феделе.

Спінові кубіти можуть зберігати свої квантові стани протягом довгого часу, що потенційно дозволяє їм виконувати швидші і точніші обчислення, ніж інші типи платформ. Через їхню мініатюрний розмір, їх можна розмістити на чіпі у великій кількості порівняно з іншими підходами до кубітів. Це важливо, враховуючи той факт, що більше кубітів означає більшу обчислювальну потужність.

Дослідницька команда змогла виготовити і керувати чотирма кубітами в матриці 2×2 на одному чіпі.

Кубіти повинні спілкуватися один з одним

Згідно з Анасуа Чаттерджі, однією з найважливіших цілей є те, щоб кубіти могли спілкуватися один з одним.

“Тепер, коли у нас є досить хороші кубіти, гра полягає в тому, щоб з’єднати їх у схеми, які можуть працювати з багатьма кубітами, а також бути достатньо складними, щоб виправляти квантові обчислювальні помилки”, – говорить Чаттерджі. “До цього часу дослідження спінових кубітів дійшли до того рівня, коли схеми містять масиви 2×2 або 3×3 кубітів. Проблема полягає в тому, що їхні кубіти обробляються тільки по одному.”

Квантову схему, розроблену командою, виготовлено з напівпровідникової речовини галії арсеніду, і вона не більша за розмір бактерії.

Чаттерджі є одним з двох основних авторів дослідження.

“Нова і справді значуща річ про наш чіп полягає в тому, що ми можемо одночасно керувати і вимірювати всі кубіти. Це ніколи раніше не було продемонстровано з спіновими кубітами – ні з багатьма іншими типами кубітів”, – говорить Чаттерджі.

Для виконання квантових обчислень важливо одночасно керувати і вимірювати. Кубіти дуже чутливі, і коли їх вимірюють по одному, навіть малий фоновий шум може змінити квантову інформацію в системі.

“Щоб отримати більш потужні квантові процесори, нам потрібно не тільки збільшити кількість кубітів, але також кількість одночасних операцій, що саме ми і зробили”, – говорить професор Кюммет.

Інша велика перешкода полягає в тому, що 48 контрольних електродів чіпа повинні бути налаштовані вручну, і їх потрібно постійно підтримувати в налаштованому стані. Це доволі трудомістке завдання для людей, тому команда зараз шукає спосіб використовувати оптимізаційні алгоритми і машинне навчання для автоматизації процесу.