Потенциальные преимущества квантовых расчётов с одновременным представлением каждого кубита бесконечным числом вариантов от 0 до 1 нивелируется их крайней нестабильностью. Учёные всего мира ищут возможность продлить квантовые состояния кубитов до возможности запуска на них сложных алгоритмов. Речь идёт хотя бы о секундах, не говоря о более длительном времени. Возможно, с этим смогут помочь немецкие учёные, которые предложили новый тип кубитов.

Источник изображения: Dennis Rieger, KIT

Исследователи из Технологического института Карлсруэ разработали сверхпроводящие кубиты, которые они назвали «гральмониевыми» (gralmonium) по аналогии с уже разработанными флюксониевыми кубитами. Традиционно сверхпроводящие кубиты используют так называемый эффект Джозефсона и структуру (переход), называемый джозефсоновским контактом. Квантовые состояния на таких контактах остаются неизменными тем дольше, чем меньше дефектов в материале. Но определить чистоту материала можно до определённой степени. Разработка немецких учёных обещает помочь с этим и вывести сверхпроводящие квантовые кубиты на новый уровень стабильности.

Сообщается, что вместо двух алюминиевых пластин, разделённых слоем диэлектрика, на чём обычно строится джозефсоновский контакт, исследователи взяли гранулированный алюминий с размерами гранул в несколько нанометров и поместили его в оксидный каркас. После процесса самоорганизации в структуре материала возникло множество микроскопических джозефсоновских контактов, что позволило детектировать мельчайшие дефекты в материале. Джозефсоновский контакт размерами 20 нм как увеличительное стекло выявил все неразличимые до этого дефекты, отметили учёные.

Столь небольшой по размерам джозефсоновский контакт открывает путь к значительному улучшению свойств кубитов, включая повышение их стабильности. Разработка запатентована и ждёт своего развития, которое, очевидно, вскоре последует.

Инженеры Научно-исследовательского института Флэтайрон (Flatiron Institute) заявили, что им удалось создать новое состояние материи — для этого на квантовый компьютер в Колорадо направлялись лазерные импульсы в последовательности Фибоначчи. Особенности этой последовательности обеспечили стабильность этого состояния на протяжении всего эксперимента.

Источник изображения: simonsfoundation.org

Подобно тому, как обычное вещество может пребывать в твёрдом, жидком газообразном или плазменном состоянии, квантовая материя также имеет свои фазы. Квантовое состояние вещества описывает его поведение на уровне частиц — атомов или электронов. Несколько лет назад физики открыли квантовое сверхтвёрдое тело, а в прошлом году подтвердилось существование предсказанной ранее квантовой спиновой жидкости. Теперь учёные утверждают, что им удалось обнаружить ещё одно квантовое состояние материи.

Квантовые биты или кубиты похожи на электронные тем, что могут принимать значение «0» или «1» либо принимать их одновременно в суперпозиции, что позволяет квантовым компьютерам обрабатывать возможные решения поставленных задач намного быстрее традиционных компьютеров. Когда-нибудь они смогут решать задачи, которые вообще недоступны классическим вычислительным машинам.

Кубиты часто представляются в виде атомов — в описываемом исследовании учёные работали с 10 ионами иттербия (химический элемент), которые контролировались электрическими полями и управлялись с помощью лазерных импульсов. При описании кубитов относительно друг друга они считаются запутанными. Запутанность — их особая взаимосвязь, которая исчезает, когда значение любого из кубитов становится определенным: система теряет когерентность, и квантовая операция прерывается. Поэтому поддержание квантового состояния кубитов является важнейшей задачей квантовых вычислений — его могут нарушить малейшие колебания температуры, электромагнитных полей или механическая вибрация.

При помощи периодических лазерных импульсов учёные Флэтайрона удерживали квантовое состояние 10 иттербиевых кубитов в течение 1,5 секунды. Однако при отправке импульсов в последовательности Фибоначчи им удалось сохранить крайние кубиты в нужном состоянии на протяжении 5,5 секунды — это время можно было дополнительно увеличить, однако столько длился эксперимент. Лазерные импульсы в последовательности Фибоначчи подобны двум частотам, которые никогда не совпадают — это своего рода квазикристалл, то есть упорядоченный, но не периодичный узор.

Каждое число в последовательности Фибоначчи равняется сумме двух предыдущих (1, 1, 2, 3, 5, 8, 13 и т. д.) — её история насчитывает более двух тысяч лет и связана с так называемым золотым сечением. Как выяснилось, она применима и в квантовых вычислениях. Обстрел кубитов периодическими лазерными импульсами (формата A-B-A-B) продлить квантовое состояние системы не смог. А с использованием последовательности Фибоначчи (A-AB-ABA-ABAAB и т. д.) получилась квазипериодическая схема, которая помогла избавиться от ошибок на крайних кубитах — наиболее удалённых от центра конфигурации в каждый момент времени.

Современные реализации квантовых компьютеров похожи на люстры из хрома, хрусталя и золота — выглядит богато, но с практичной точки зрения никуда не годится. Подобные конструкции не поддаются масштабированию и крайне дороги как при изготовлении, так и в эксплуатации. Более перспективными представляются ловушки ионов (атомов, имеющих заряд), а также спиновые кубиты, которые можно создавать из одиночных электронов.

Источник изображения: Adam Mills, Princeton University

«Там, внизу, полно места», — говорил американский физик Ричард Фейнман о микроэлектронике. Спиновые кубиты на базе одиночных электронов представляется возможным масштабировать до тысяч и миллионов кубитов в одном квантовом процессоре, который не будет размерами с дом или занимать этаж и даже одну комнату. По этому пути, например, идёт компания Intel, другие компании и множество научных коллективов во всём мире. Каждая новая работа всё больше убеждает научный мир, что полупроводники и, в частности, кремний, дают надежду на появление квантовых процессоров на основе современной промышленной базы.

Новое исследование учёных из Принстонского университета показало, что оперирование спиновыми кубитами может достигать высочайшей точности, а именно — 99,8 %. Предыдущие работы показывали точность не выше 90 %, что сильно ограничивало квантовые расчёты и заставляло создавать сложные решения для компенсации погрешности. Физики из Принстонского университета создали схему, в которой пара электронов запутывалась и оставалась связанной в процессе операций над ними.

Благодаря системе электродов с помощью выверенных потенциалов учёные смогли сближать электроны в двух соседних квантовых точках и, тем самым, запутывать их — наделять одинаковой волновой (квантовой) функцией. Спины электронов действуют как магнитные диполи, выстраиваясь вдоль линий магнитного поля. Поскольку спин — это одна из квантовых характеристик электрона, он подчиняется законам квантовой физики. В данном случае, спин может находиться в состоянии суперпозиции — быть одновременно условными 0 и 1, что экспоненциально ускоряет расчёты.

Физики из Принстонского университета смогли на одном кремниевом устройстве подготовить пару таких кубитов, оперировать ими и считать состояния и всё это с невообразимой ранее точностью. Осталось только представить решение в большем масштабе, что, впрочем, потребует многих новых исследований.

Магнетизм уже сыграл свою роль в важнейших открытиях, которые изменили наше общество. Жёсткие диски, МРТ и многое другое, список будет продолжаться и продолжаться. Новое открытие показывает, что магнетизм способен проявлять в нашем мире даже квантовые явления. Поэтому нельзя исключать, что квантовые компьютеры также войдут в перечень достижений, в основе которых лежат магнитные взаимодействия.

Источник изображения: Yi Li/Argonne National Laboratory

В новом исследовании учёные Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США добились достаточно продолжительной квантовой связи — когерентности — между двумя крошечными магнитными сферами. В проведенном эксперименте было показано, что два макрообъекта продемонстрировали состояние квантовой запутанности, когда обмен взаимодействий между ними происходил мгновенно.

Для демонстрации эффекта связи учёные создали сверхпроводящий контур, который работал как резонатор. В контур поместили две разнесённые на 1 см небольшие магнитные сферы из железо-иттриевого граната (YIG). Сферы были удалены друг от друга на расстояние примерно равное 30 диаметрам. Сверхпроводящий контур (резонатор) обеспечивал сильные взаимодействия между сферами и служил своего рода линией связи между магнитными сферами.

Выбор железо-иттриевого граната был обусловлен тем, что этот синтетический минерал поддерживает возбуждение квазичастиц, называемых магнонами. Эти возбуждения возникают, когда электрический ток генерирует магнитное поле. Созданная в эксперименте связь между магнонами в обеих сферах как раз носила характер квантового взаимодействия и поддерживалась достаточно долго, чтобы дать надежду на появление в будущем кубитов на основе предложенного решения.

«Дистанционная связь магнонов — это первый шаг или почти предпосылка для выполнения квантовой работы с магнитными системами, — сказал автор исследования старший научный сотрудник Аргоннской национальной лаборатории Валентин Новосад,. — Мы демонстрируем способность этих магнонов мгновенно связываться друг с другом на расстоянии».

Учёные обнаружили основу для кубитов с чрезвычайно высокой устойчивостью к помехам. В эксперименте когерентность кандидатов в кубиты превысила 10 секунд, что в два раза больше, чем в случае недавнего рекорда в Аргоннской национальной лаборатории. Возможность сохранять устойчивость квантовых состояний в течение многих секунд означает, что квантовые вычисления можно будет выполнять по сложным алгоритмам — это поможет взламывать шифры и не только.

Художественное представление кубитов из пар колеблющихся частиц. Источник изображения: Sampson Wilcox/RLE

Открытие сделала группа учёных из Массачусетского технологического института (MIT). Теоретически и практически известно, что в ряде многих физических явлений лежат групповые и, в частности, парные взаимодействия элементарных частиц. Например, за явление сверхпроводимости ответственны так называемые куперовские пары, представляющие собой коррелированные пары электронов. Учёные из MIT в ходе изучения поведения пар изотопов калия-40 выяснили, что они при определённых условиях могут находиться в колебательном состоянии суперпозиции. И это состояние сохранялось более 10 секунд — немыслимо большое по современным меркам практических квантовых систем время.

Эффект был обнаружен, когда изотопы охладили до температуры 100 нанокельвинов (-273 °C) и поместили в оптическую решётку, созданную системой лазеров. Выяснилось, что пойманные в оптические ловушки пары частиц (фермионов) двигались синхронно, как если бы они были единой молекулой. При этом в колебаниях проявлялся эффект суперпозиции — они были как встречные, так и одновременно в разные стороны.

По мнению учёных, подобное проявление квантовых свойств — это прямой путь к рекордно устойчивым к помехам кубитам. «Общее и относительное движение каждой пары реализует надежный кубит, защищённый обменной симметрией», — говорится в статье в издании Nature. Впрочем, как этот кубит реализовать для организации вычислений учёные пока не знают, но намерены изучить данный вопрос.

Московский физико-технический институт (МФТИ) сообщает о том, что российские специалисты провели успешную техническую демонстрацию работы прототипа универсального квантового процессора из пяти сверхпроводниковых кубитов. Показанная схема разработана сотрудниками лаборатории искусственных квантовых систем МФТИ, а в её основу положена технологическая база Центра коллективного пользования МФТИ.

Источник изображения: pixabay.com / geralt

Отмечается, что первые образцы процессора были получены ещё в марте 2021 года. Однако исследователям потребовался почти год на решение ряда технологических и измерительных проблем. В результате, в текущем виде решение даёт возможность осуществлять управляемое взаимодействие пар соседних кубитов. Двухкубитные операции реализованы на основе быстрой индивидуальной перестройки частоты (использованы вентили iSWAP с эффективностью более 80 %).

Впрочем, выполнять какие-либо практические задачи с применением предложенного процессора пока невозможно — реализованная квантовая схема требует дальнейшей доработки.

Источник изображения: pixabay.com / Gam-Ol

«Нам удалось добиться воспроизводимости кубитов в многокубитной схеме, что подтверждает высокий уровень технологии. Всё это достигнуто, несмотря на существенные ограничения в ключевом технологическом и измерительном оборудовании. Это значимое достижение, которое открывает перспективы дальнейшей работы над квантовыми вычислительными устройствами», — отмечают специалисты.

Кубинский Центробанк, руководствуясь «социально-экономическими интересами», разрешил использовать криптовалюты, он же займётся их регулированием. Платежи в цифровых активах официально признаются государством.

Источник: freepik.com

Согласно резолюции, опубликованной в издании Gaceta Oficial, Центробанк установит правила использования криптовалют и определит порядок лицензирования поставщиков услуг, связанных с цифровыми активами. Популярность подобных средств платежей на Кубе в настоящий момент растёт. Кубинцы переходят на криптовалюты, потому что из-за ужесточения эмбарго бывшим президентом США Дональдом Трампом (Donald Trump) американский доллар становится всё менее доступным.

Не так давно подобное решение было принято в другой латиноамериканской стране — в Сальвадоре, где биткоин официально признан законным платёжным средством. Благодаря этому решению существенно упростились денежные переводы от граждан страны, проживающих за границей.

Кубинские власти при этом полностью отдают себе отчёт, что криптовалюты, будучи анонимным платёжным средством, часто используются при осуществлении незаконной деятельности. В этой связи, руководствуясь «социально-экономическими интересами», криптовалютные платежи будут разрешены только при условии контроля со стороны государства. Отмечается, что такие операции не могут быть связаны с незаконной деятельностью.

При этом местный эксперт Эрих Гарсия (Erich García) отметил, что некоторые кубинцы уже пользуются криптовалютами для покупок в интернете. По данным издания Cuba Standard, в стране работает криптообменный сервис Qbita с 13 тыс. пользователей. В 2020 году сервис обработал платежи на общую сумму $354 тыс., что, конечно, несравнимо с объёмами операций мировых лидеров индустрии.

Команда исследователей из Университета науки и технологий Китая разработала программируемый квантовый компьютер на базе сверхпроводящих кубитов, который претендует на звание самого производительного в мире. Он за час справился с поставленной перед ним вычислительной задачей, тогда как у обычных классических компьютеров на её решение потребовалось бы более восьми лет. Учёные опубликовали результаты своей работы в репозитории научных трудов ArXiv.

Схема двумерного сверхпроводящего кубита-чипа. Изображение: Университет науки и технологий Китая

Разработка китайских исследователей получила название Zuchongzhi. Она представляет собой двумерный программируемый сверхпроводящий квантовый процессор, способный объединить до 66 кубитов. Для демонстрации его возможностей учёные из Поднебесной использовали 56 кубитов. Перед системой стояла задача по моделированию случайных квантовых цепочек (random quantum circuits) — совершению длинных последовательностей операций над кубитами и измерение результатов. Причём чем больше в системе кубитов, тем сложнее решение задачи. Получить такие же результаты на классическом суперкомпьютере будет крайне сложно из-за необходимости просчёта огромного числа возможных состояний, в которых может находиться система (два в степени равной числу кубитов).

«По нашим подсчётам с задачей по моделированию случайных квантовых цепочек Zuchongzhi справился за 1,2 часа, в то время как у самых мощных суперкомпьютеров в мире на неё уйдёт как минимум восемь лет», — указывают исследователи в своей статье. Учёные также отмечают, что их работа демонстрирует однозначное превосходство в вычислительной мощности над классическими компьютерами, которые не позволяют проводить подобные расчёты в разумные сроки.

Задача, которую решал китайский квантовый компьютер Zuchongzhi, примерно 100 раз сложнее, чем та, которую решал квантовый процессор Google Sycamore в 2019 году, который называли самым мощным в мире. Квантовая система Sycamore использовала 54 кубита, а Zuchongzhi — 56 и при этом продемонстрировала результат, доказывающий, что с увеличением числа квантовых битов производительность квантовой системы увеличивается в геометрической прогрессии. Таким образом новая китайская разработка является самым мощным программируемым квантовым компьютером в мире, и имеет потенциал для увеличения производительности (при активации всех доступных 66 кубитов).

К слову, та же команда китайских учёных в 2020 году продемонстрировала ещё один квантовый компьютер. Он работал на базе 76 фотонных кубитов и использовал сложную установку из лазеров, зеркал, призм, детекторов фотонов и не был программируемым, как Zuchongzhi или тот же Sycamore.

Предполагается, что подавляющее большинство материи в окружающей нас Вселенной — это тёмная материя. Считается, что на видимую и осязаемую материю приходится всего около 15 %, а остальные 85 % [тёмной] материи ещё ни разу не удалось определить. Учёные из США предложили схему эксперимента, которая может помочь экспериментально обнаружить существование тёмной материи, для чего они предложили использовать сверхпроводящий кубит.

Физики из лаборатории Ферми и Чикагского университета разработали новый эксперимент, в ходе которого можно будет поискать две гипотетические частицы, предложенные в качестве кандидатов в тёмную материю — это тёмные фотоны и аксионы. Первые могут смешиваться с обычными фотонами, но при этом должны обладать массой, а вторые способны в определённых условиях распадаться на два фотона.

Каждый из этих кандидатов потенциально могут проявить себя там, где обычных фотонов быть не должно. Тёмный фотон может спонтанно превратиться в обычный, а аксионы, как сказано выше, при взаимодействии с магнитным полем могут испускать два обычных фотона.

Схема эксперимента. Кубит возвращает 1 если в резонаторе появился фотон. Источник изображения: Akash Dixit, University of Chicago

Исследователи разработали устройство, которое блокирует обычные фотоны и усиливает любые фотоны, которые могут возникнуть при взаимодействии с темной материей (тёмными фотонами или аксионами). В схему детектирования входит сверхпроводящий микроволновый резонатор из алюминия чистотой 99,9999 %. Внутри резонатора находится антенна в виде сверхпроводящего кубита. Именно она обнаруживает фотоны в резонаторе, если они там вдруг появятся из «ниоткуда».

Резонатор и кубит охлаждены до температуры очень и очень близкой к абсолютному нулю — до –273,1 °C (абсолютный нуль находится на уровне –273,15 °C). Система способна фиксировать фотон до 50 раз в течение 500-мкс времени жизни этой частицы, что необходимо для надёжного подтверждения его появления в изолированном резонаторе.

Антенна с кубитом. Источник изображения: Reidar Hahn, Fermilab

В идеале, говорят исследователи, температуру резонатора и кубита надо было опустить до –273,14 °C, тогда фоновый шум и его влияние на кубит были бы полностью ликвидированы, но технологически сегодня этого сделать не представляется возможным.

Отметим, эксперимент по охоте за тёмной материей пока не поставлен. Это пока лишь концепция, о которой исследователи рассказали в издании Physical Review Letters.

Международная группа учёных на базе Университета Аалто разработала новый ультратонкий материал, с помощью которого им удалось воспроизвести неуловимые квантовые состояния — фермионы Майораны. Считается, что эти гипотетические частицы могут стать основой квантового компьютера с топологическими кубитами. Главной особенностью этих частиц является то, что они не обнаружены в природе. Все созданные до сих пор фермионы Майораны — рукотворны, и у каждого исследователя свой подход.

Одномерный майорановский фермион с нулевой энергией на границе двух двумерных материалов. Источник изображения: Aalto University

Как известно, в основе квантового компьютера лежит кубит, который используется для высокоскоростных вычислений. Наиболее широко представлены криогенные кубиты, когда система охлаждается до близких к абсолютному нулю температур. Охлаждение и экранирование снижают вероятность взаимодействия кубитов с внешними «раздражителями» — тепловым, электромагнитным и другими шумами, которые вносят ошибки в квантовые вычисления. Но даже суровая изоляция не позволяет кубитам долго (секунды) находиться в согласованном (когерентном) состоянии, чтобы произвести вычисления и снять результат. Иное дело — топологические кубиты.

Идею квантового компьютера на основе топологических кубитов представил советский, российский, а позднее американский учёный Алексей Китаев. Топологическим кубит назван по той причине, что он крайне устойчивый в своём состоянии. Он может сколь угодно долго оставаться устойчивым при обычных условиях при поддержании необходимых параметров среды или условий его образования. Например, он не разрушается в процессе измерения, как «обычный» кубит. Надо ли говорить, что за топологический кубит сначала схватилась компания Microsoft, а затем и Intel, не говоря о других?

Китаев же предложил в качестве топологического кубита использовать фермионы Майораны. Дело в том, что эта гипотетическая частица одновременно является своей античастицей. Как результат, её электрический заряд стремится к нулю, а это безразличие ко всему на свете, включая «раздражители». Просто верх стабильности и постоянная демонстрация суперпозиции. Но фермионы Майораны никем не обнаружены, поэтому учёные представляют эту частицу в виде квазичастицы, например, в виде коллективного взаимодействия электронов. И именно такое коллективное взаимодействие электронов смоделировали учёные в Университете Аалто.

Одно из зданий Университета Аалто, источник: glassdoor.com

Для создания майорановского фермиона с нулевой энергией (MZM, Majorana zero energy modes) необходимы очень тонкие 2D-материалы (двумерные). С их помощью можно создать одномерный майорановский фермион с нулевой энергией (1D MZM) или топологический сверхпроводник, также предсказанный Китаевым. Именно 1D MZM представлен Китаевым как возможная основа топологического кубита.

Топологическая сверхпроводимость возникает на границе двух 2D-материалов и позволяет создавать ловушки для майорановских фермионов — групп электронов в нашем случае. Именно на границе создаётся одномерное пространство, которое делает возможным появление кубита в виде 1D MZM. Один из материалов — это магнитный электрический изолятор, а второй — сверхпроводник. Магнитное поле у изолятора сравнительно слабое, поэтому оно не нарушает сверхпроводимости в присоединённом сверхпроводнике.

В обсуждаемом исследовании топологический сверхпроводник состоит из слоя бромида хрома, материала, который остаётся магнитным даже при толщине всего в один атом. Команда вырастила островки бромида хрома толщиной в один атом на поверхности сверхпроводящего кристалла диселенида ниобия и измерила их электрические свойства с помощью сканирующего туннельного микроскопа. После целой серии моделирований был сделан вывод, что измеренные электрические свойства явления можно с уверенностью представить как одномерный майорановский фермион с нулевой энергией, а не что-то иное.

Исследователи уверены, что они научились создавать одномерные MZM из двумерных материалов, и следующим шагом станет попытка превратить их в топологические кубиты. Добавим, статья об исследовании опубликована на днях в журнале Nature. Квантовые компьютеры стали ещё на один шаг ближе.

Компания Intel совместно со специалистами нидерландского научного-исследовательского института QuTech успешно продемонстрировали возможность использования спиновых кубитов (их состояние определяется спином атомных ядер) на основе кремниевых квантовых точек при температурах выше одного кельвина.

Квантовые компьютеры способны превзойти свои классические аналоги во многих задачах. Однако для возможности практического применения квантовых вычислительных систем необходимо обладать возможностью контролировать миллионы кубитов, в которых содержится информация.

Современные конструкции квантовых систем ограничены общим размером, надёжностью (точностью) кубитных операций, а также невероятной сложностью и дороговизной электроники, необходимой для управления квантовыми вычислениями в больших масштабах.

Для возможности хранения информации кубиты должны охлаждаться до температуры близкой к абсолютному нулю (-273°C или 0 кельвинов). Тем не менее, возможность повышения температуры, при которой смогут работать кубиты, имеет решающее значение для масштабирования квантовых вычислений. Ранее было показано, что квантовый компьютер работает только в диапазоне температур милликельвинов, то есть не более чем на долю градуса выше абсолютного нуля.

Учёные и инженеры Intel вместе с нидерландскими коллегами из QuTech смогли впервые продемонстрировать возможность работы кубитов на основе кремниевых квантовых точек при температурах выше 1 кельвина с сохранением высокого уровня надёжности и когерентности.

Время когерентности и надёжность однокубитной операции для двух кубитов (красный и синий) при температуре 1,1 кельвин

Более того, исследователи реализовали универсальную квантовую логику на основе двухкубитного процессора и продемонстрировали возможность её работы при температуре 1,1 кельвин с уровнем надёжности однокубитной операции в 99,3 % и временем когеренции 2 микросекунды. Ранее подобное было возможно только при температуре 40 милликельвинов.

Результат Intel и QuTech показывает, что квантовые вычисления обладают потенциалом масштабируемости, могут стать более простыми и, главное, более доступными.

Исследование, проведённое международной группой специалистов, приближает эпоху квантовых компьютеров, способных функционировать при комнатной температуре. Об этом сообщается в публикации Национального исследовательского технологического университета «МИСиС».

Квантовые вычислительные системы оперируют квантовыми битами, или кубитами. Они могут одновременно принимать значение и логического ноля, и логической единицы. Поэтому с ростом количества использующихся кубитов число обрабатываемых одновременно значений увеличивается в геометрической прогрессии.

На сегодняшний день в существующих квантовых системах наиболее распространены кубиты на сверхпроводящих материалах или на одиночных атомах в оптических ловушках. Однако для работы таких комплексов требуются сверхнизкие температуры, что оборачивается колоссальными затратами на постоянное охлаждение.

Новое исследование открывает путь к кубитам, функционирующим в обычных условиях. В работе приняли участие российские специалисты из НИТУ «МИСиС», а также их коллеги из Швеции, Венгрии и США.

Учёные нашли способ создавать стабильные полупроводниковые кубиты из карбида кремния (SiC). Специалистам удалось выяснить, какая именно структурная особенность позволяет таким кубитам работать при комнатной температуре.

«Карбид кремния и ранее рассматривался как перспективный материал для создания кубитов, однако в ряде случаев такие кубиты сразу же "перегорали" при комнатной температуре. Задачей учёных было выяснить, при какой модификации материала работа была бы стабильной. Разработка открывает новые перспективы в создании квантового компьютера, который бы стабильно работал при комнатной температуре», — говорится в сообщении.

Технологический институт Карлсруэ (Karlsruhe Institute of Technology, KIT) сообщил, что Европейская Комиссия выдала грант в объёме 3 млн евро сроком на три года с целью поиска перспективного материала для «многофункционального» кубита. Кубиты, как известно, это базовые элементы квантовых компьютеров с совершенно другим принципом работы. Каждый кубит представляет собой базовую вычислительную единицу, находящуюся одновременно во множестве состояний от 0 до 1 (в состоянии суперпозиции). Подобная множественность сулит точно такой же множественный скачок по производительности вычислений, но далеко не для всех задач, что тоже надо понимать.

Лазерный луч считывает состояние кубитов (Фото: Thomas Hümmer)

Исследования в институте KIT будут проводиться по программе SQUARE (Scalable Rare Earth Ion Quantum Computing Nodes). В вольном переводе название программы звучит как масштабируемый узел квантового вычислителя на редкоземельных ионах. В качестве кубита программа предполагает использование ионов определённого редкоземельного металла, который ещё предстоит определить и исследовать. Ионы редкоземельных металлов — электрически заряженные атомы — могут сохранять квантовое состояние достаточно продолжительное время. Кроме этого они обладают другими необходимыми для создания квантовых вычислительных узлов качествами — это способность храниться в кристаллической твердотельной структуре и обеспечивают сильное взаимодействие (связанность) друг с другом.

Наконец, ионы редкоземельных материалов могут активироваться независимо друг от друга с помощью оптических систем, например, лазером и передавать данные о своём состоянии оптическим путём. Это открывает путь как к квантовой коммуникации, так и к построению масштабируемых квантовых вычислительных систем.

Квантовая последовательность, управляемая лазером, в представлении художника

Следует сказать, что в последнее десятилетие ионы металлов в качестве кубитов стали рассматриваться как перспективные решения многими исследовательскими центрами как за рубежом, так и в России. На базе ионных кубитов строятся квантовые модели и прототипы квантовых вычислителей. Подобные системы оказываются энергоэффективнее классических криогенных систем, хотя тоже требуют специальных условий для работы и охлаждения до сверхнизких температур.

Ещё в 2015 году компания Intel выделила на исследования в области разработки квантовых вычислителей $50 млн. К настоящему времени эти и другие инвестиции привели к созданию интересных, хотя и опытных продуктов. Как признались в Intel, компания движется в двух направлениях. Одно из них — это классические суперпроводимые квантовые вычислители, а второе — спиновые кубиты на кремниевой основе.

Семейство чипов Intel Tangle Lake для сверхпроводимых квантовых систем

Ранее в прошлом году и на январской выставке CES 2018 компания рассказывала о начале опытных поставок семейства суперпроводимых чипов Tangle Lake для сверхпроводящих квантовых систем. Это большие по объёму занимаемого пространства системы с охлаждением до 20 мК. Своему партнёру по разработкам нидерландскому институту QuTech компания поставляет 17-кубитные и 49-кубитные процессоры. Тогда же в январе Intel намекнула на разработку квантовых процессоров на спиновых кубитах, хотя формальный анонс квантовых процессоров на спиновых кубитах состоялся только на днях.

Опытный 17-кубитный квантовый процессор Intel

Анонс совпал с публикацией на сайте Nature статьи группы учёных из института QuTech о создании первой квантовой вычислительной системы из двух спиновых кубитов с возможностью произвольного программирования. На конференции American Association for the Advancement of Science (AAAS), которая начала работу 15 февраля, представители QuTech продемонстрировали работу на системе двух простых квантовых алгоритмов. Это маленький шаг, который обещает привести к созданию программируемых систем с тысячами и миллионами кубитов.

Кремниевая 300-мм пластина с квантовыми процессорами на основе спиновых кубитов

Опытные квантовые процессоры на спиновых кубитах компания Intel выпускает на изотопно чистых кремниевых пластинах на тех же заводах, на которых она выпускает классические процессоры. В течение пары месяцев техпроцесс обещает оказаться настолько отлаженным, что компания рассчитывает выпускать «массу» пластин в неделю, на каждой из которых будут тысячи маленьких кубитовых массивов.

Кремниевые спиново-кубитные процессоры Intel также требуют пониженных рабочих температур. Но это будут температуры уже в районе 1 К, что в 50 раз выше, чем в случае сверхпроводимых кубитовых систем. Данное обстоятельство поможет сделать квантовые системы немного компактнее. В заключение добавим, что в теоретических разработках кремниевых процессоров на квантовых кубитах значительно продвинулась группа учёных из Университета Нового Южного Уэльса (University of New South Wales, UNSW). Освежить воспоминания можно по этой ссылке. Это примерно то же самое, что делает Intel.

Квантовые вычисления — будущее компьютерной техники. Причём не какое-то фантастическое, а вполне реальное, ведь в разработке решений для него принимают участие такие гиганты IT-индустрии, как IBM, Google, Microsoft и другие. Очередной шаг в этом направлении был сделан американской корпорацией Intel и нидерландским исследовательским центром QuTech. Накануне они объявили о поставке экспериментального 17-кубитного процессора, основанного на технологиях сверхпроводимости. Отмечается, что в чипе применена особая структура, повышающая выход годных кристаллов и увеличивающая их производительность.

Как утверждается в выпущенном по данному случаю пресс-релизе, поставка первого процессора говорит об успешности сотрудничества Intel и QuTech в области создания компьютеров нового поколения и важности исследований в сфере материаловедения и разработки новых методов производства полупроводников.

Впрочем, несмотря на все достижения, на пути к развёртыванию жизнеспособных крупномасштабных квантовых систем с требуемой точностью вычислений остаётся ещё много препятствий. Одна из главных проблем заключается в «хрупкости» кубитов — наименьших элементов для хранения данных в квантовых компьютерах. К потере информации может привести даже случайный шум; к тому же, работать они способны только при очень низких температурах, достигающих 20 милликельвин, что в 250 раз ниже температуры в открытом космосе.

Специалисты из Intel и QuTech работают над преодолением перечисленных трудностей. В частности, в экспериментальном 17-кубитном процессоре размером с 10-рублёвую монету реализована новая архитектура, позволившая повысить надёжность, улучшить температурные характеристики и сократить уровень помех, возникающих при совместной работе кубитов. По сравнению с традиционными полупроводниковыми микросхемами новый чип обеспечивает в 10–100 раз большую скорость ввода/вывода. Кроме того, благодаря сочетанию специальных техпроцессов, материалов и прочих решений он вмещает квантовые интегральные схемы существенно большего размера, чем элементы традиционных кремниевых процессоров. Комментируя получение упомянутой микросхемы, профессор Лео Ди Карло (Leo DiCarlo) из центра QuTech заявил, что это «позволит получить новый объём знаний в области квантовых вычислений, на базе которого будет построен следующий этап исследований».