Найдено решение для массового производства квантовых компьютеров

Ученые из Университета Нового Южного Уэльса и Университета Сидней (Австралия) разработали новый тип компьютерного чипа, который устраняет основное препятствие на пути создания практичных квантовых компьютеров, впервые позволяя разместить миллионы кубитов и системы их управления на одном устройстве.

Новый управляющий чип сделан на основе кремния, работает при криогенных температурах, близких к абсолютному нулю (около минус 273,15 градусов Цельсия), и, что самое важное, не нарушает квантовое состояние кубитов.

«Этот результат был достигнут более чем за десятилетие, благодаря накоплению знаний в области проектирования электронных систем с низким энергопотреблением, работающих около абсолютного нуля», —  ведущий исследователь, профессор Дэвид Рейли.

Ученые охарактеризовали полученный результат как «важное доказательство принципа» интеграции квантовых и классических компонентов в одном чипе — значительный шаг к практичным масштабируемым процессорам, необходимым для квантовых вычислений. Исследователи опубликовали свои результаты в журнале Nature.

Кубиты — квантовый эквивалент двоичных битов, используемых в современных классических компьютерах. Однако, если классический бит может представлять либо 0, либо 1, кубит может находиться в состоянии «суперпозиции» — в обоих состояниях сразу. Это позволяет квантовым компьютерам выполнять несколько расчетов параллельно, делая их способными решать задачи, недоступные сегодняшним компьютерам.

Спиновые кубиты, один из типов кубитов, кодируют информацию о состоянии спина электрона (особенностях вращения). Они привлекают внимание ученых, поскольку могут быть созданы с использованием полупроводниковых технологий. Это тот же процесс, который используется для изготовления чипов, находящихся в современных смартфонах и ПК. Теоретически это упрощает массовое производство спиновых кубитов, поскольку его можно интегрировать в обычные методы производства.

Квантовые компьютеры используют различные типы кубитов, включая сверхпроводящие, фотонные или ионные кубиты. Но в отличие от них, спиновые кубиты могут быть произведены в большом масштабе с использованием существующего оборудования.

Однако для сохранения когерентности спиновые кубиты необходимо сохранять при температурах чуть выше абсолютного нуля. Это способность кубита сохранять суперпозицию и запутанность, что делает квантовые вычисления столь перспективными. Спиновым кубитам также необходимо электронное оборудование для измерения и управления их активностью.

«Это переведет нас из области изучения квантовых компьютеров как увлекательных лабораторных устройств к этапу, когда мы сможем начать решать реальные задачи, которые эти устройства могут решить для человечества», — добавил Рейли.

Интеграция электроники, необходимой для управления и измерения спиновых кубитов, долго была крайне сложной, поскольку даже небольшое количество тепла или электрические помехи могут нарушить хрупкое квантовое состояние кубитов.

Но этот новый управляющий чип предназначен для работы в криогенной среде и при ультранизких уровнях мощности, что означает, что его можно интегрировать в чип рядом с кубитами без введения тепловых или электрических шумов, которые могли бы нарушить когерентность.

В испытаниях управляющий чип был размещен на расстоянии менее миллиметра от кубитов. Управляющий чип не вводил заметного электрического шума и не вызывал снижения точности, стабильности или когерентности.

«Это подтверждает надежду на то, что кубиты действительно могут управляться в масштабе благодаря интеграции сложной электроники при криогенных температурах», — сказал Рейли.