Прорыв на пути к квантовому компьютеру: работающий кремниевый чип с шестью кубитами

Квантовые вычисления опираются на квантовую механику как на основу операций. Информация здесь кодируется в кубитах, или квантовых битах. Они чем-то похожи на привычные нам основные единицам информации — двоичные биты. Однако там, где биты обрабатывают информацию в одном из двух состояний (либо 1, либо 0), кубит может находиться в состоянии 1, 0 или в обоих одновременно.

Последнее состояние — 1 и 0 одновременно — называется суперпозиция. Поддержание суперпозиции кубитов позволяет квантовым компьютерам решать сложные математические задачи, выполняя вычисления, основанные на вероятности состояния объекта еще до его измерения. Это можно приблизительно сравнить с состоянием подброшенной монетки, вращающейся в воздухе, прежде чем она приземлится. Там одновременно как бы и орел, и решка.

Эти квантовые суперпозиции могут быть переплетены с суперпозициями других объектов, а это означает, что их конечные результаты будут математически связаны, даже если мы еще не знаем, что они собой представляют. То есть мы еще не знаем, что там за значение, а квантовый компьютер его уже учел и соотнес с другими такими же единицами информации, находящимися в суперпозиции.

Квантовый компьютер потенциально обладает такой высокой производительностью, какая и не снилась даже самым продвинутым современным машинам. Однако до недавнего времени попытки посчитать информацию с помощью суперпозиции давали слишком много ошибок.

В настоящее время важный элемент на пути к квантовым вычислениям — это масштабирование. В частности — добавление большего количества кубитов, чтобы увеличить возможности обработки информации системой и ее согласованность.

Исследователи из QuTech (НИИ при Делфтском технологическом университете, Нидерланды) разработали микросхему с рекордным количествм спиновых (из вращающихся электронов) кубитов. В чипе на основе кремния получилось полностью совместить шесть кубитов. Важно отметить, что в данном случае кубиты работают почти без ошибок, что достигается за счет новой конструкции микросхемы и нескольких других инновационных методов.

Результаты опубликованы в Nature, об открытии рассказали в институте.

Чтобы сделать кубиты, отдельные электроны помещают в линейный массив из шести «квантовых точек», отстоящих друг от друга на 90 нанометров. Массив квантовых точек выполнен в кремниевом чипе со структурой, очень похожей на транзистор — компонент каждого компьютерного чипа. Квантово-механическое свойство, называемое спином, используется для определения кубита — 0 или 1. Спин электрона — тонкое свойство. Малейшие изменения в электромагнитной среде вызывают его колебания, что увеличивает частоту ошибок.

Команда использовала точно настроенное микроволновое излучение, магнитные поля и электрические потенциалы, чтобы контролировать и измерять спин отдельных электронов и заставлять их взаимодействовать друг с другом.

«Сегодня задача квантовых вычислений состоит из двух частей. Разработка самих кубитов достаточно хорошего качества и разработка архитектуры, позволяющей создавать большие системы кубитов. Наша работа вписывается в обе категории», — объяснил первый автор Стефан Филипс.

Для производства кубитов могут быть использованы разные материалы, и никто пока не знает, какой окажется лучшим для создания полномасштабного квантового компьютера. В данном исследовании авторы работают с кремнием.

Уже создавались квантовые массивы с более чем 50 кубитами, но их делали из сверхпроводников, что очень дорого и сложно. Глобальная же доступность кремниевой инженерной инфраструктуры дает кремниевым квантовым устройствам возможность более легкого перехода от исследований к промышленности. Однако до недавнего достижения в кремнии можно было создавать только массивы из трех или меньшего количества кубитов.

«Ключевой строительный блок, предложенный в этом исследовании, может быть использован для добавления еще большего количества кубитов в будущем», — сказал соавтор открытия, доктор Матеуш Мадзик.

Огромный шаг в области квантовых вычислений: создана первая в мире квантовая микросхема

Исторический момент: квантовые компьютеры достигли точности вычислений выше 99%