Разработка вакцин и лекарств, искусственный интеллект, транспорт и логистика, климатология — все это области, которые должны быть преобразованы с развитием полномасштабного квантового компьютера. И за последнее десятилетие произошел взрывной рост инвестиций в квантовые вычисления.

Тем не менее, современные квантовые процессоры относительно малы по размеру и содержат менее 100 кубитов — основных строительных блоков квантового компьютера. Биты — это наименьшая единица информации в вычислениях, а термин «кубиты» происходит от «квантовых битов».

Хотя первые квантовые процессоры сыграли решающую роль в демонстрации потенциала квантовых вычислений, для реализации глобально значимых приложений, вероятно, потребуются процессоры с более чем миллионом кубитов.

Наше новое исследование решает ключевую проблему, лежащую в основе расширения квантовых компьютеров: как перейти от управления всего несколькими кубитами к управлению миллионами? В исследовании, опубликованном в Science Advances, мы раскрываем новую технологию, которая может предложить решение.

Что такое квантовый компьютер?

Квантовые компьютеры используют кубиты для хранения и обработки квантовой информации. В отличие от битов информации в классических компьютерах, кубиты используют квантовые свойства природы, известные как «суперпозиция» и «запутанность», для выполнения некоторых вычислений намного быстрее, чем их классические аналоги.

В отличие от классического бита, который представлен либо 0, либо 1, кубит может существовать в двух состояниях (то есть 0 и 1) одновременно. Это то, что мы называем состоянием суперпозиции.

Демонстрации Google и других показали, что даже нынешние квантовые компьютеры могут превзойти самые мощные суперкомпьютеры на планете в узкоспециализированной (хотя и не особо полезной) задаче — достижении рубежа, который мы называем квантовым превосходством.

Квантовый компьютер Google, построенный из сверхпроводящих электрических цепей, имел всего 53 кубита и охлаждался до температуры ниже -273 ℃ в высокотехнологичном холодильнике. Эта экстремальная температура необходима для отвода тепла, которое может вызвать ошибки в хрупких кубитах. Хотя такие демонстрации важны, сейчас задача состоит в том, чтобы создать квантовые процессоры с большим количеством кубитов.

В UNSW в Сиднее прилагаются большие усилия по созданию квантовых компьютеров из того же материала, который используется в повседневных компьютерных микросхемах: кремния. Обычный кремниевый чип размером в несколько миллиметров содержит несколько миллиардов бит, поэтому перспектива использования этой технологии для создания квантового компьютера является убедительной.

Проблема управления.

В кремниевых квантовых процессорах информация хранится в отдельных электронах, которые удерживаются под небольшими электродами на поверхности кристалла. В частности, кубит закодирован в спин электрона. Его можно представить как маленький компас внутри электрона. Стрелка компаса может указывать на север или юг, что соответствует состояниям 0 и 1.

Чтобы установить кубит в состояние суперпозиции (как 0, так и 1), операция, которая происходит во всех квантовых вычислениях, управляющий сигнал должен быть направлен на требуемый кубит. Для кубитов в кремнии этот управляющий сигнал имеет форму микроволнового поля, очень похожего на те, которые используются для передачи телефонных звонков по сети 5G. Микроволны взаимодействуют с электроном и заставляют его вращаться (стрелка компаса).

В настоящее время каждому кубиту требуется свое собственное микроволновое поле управления. Он доставляется к квантовому чипу по кабелю, идущему от комнатной температуры до дна холодильника при температуре, близкой к -273 ℃. Каждый кабель приносит с собой тепло, которое необходимо удалить, прежде чем он достигнет квантового процессора.

При количестве около 50 кубитов, что на сегодняшний день является ультрасовременным, это сложно, но выполнимо. Современная холодильная техника может выдерживать тепловую нагрузку кабеля. Однако это представляет собой огромное препятствие, если мы будем использовать системы с миллионом кубитов или более.

Решение — глобальный контроль.

В конце 1990-х было предложено элегантное решение проблемы доставки управляющих сигналов миллионам спиновых кубитов. Идея «глобального контроля» была проста: транслировать единое микроволновое поле управления на весь квантовый процессор.

Импульсы напряжения могут подаваться локально на электроды кубитов, чтобы отдельные кубиты взаимодействовали с глобальным полем (и создавали состояния суперпозиции).

Сгенерировать такие импульсы напряжения на кристалле намного проще, чем сгенерировать несколько микроволновых полей. Решение требует только одного кабеля управления и устраняет навязчивые схемы управления микроволнами на кристалле.

Более двух десятилетий глобальный контроль в квантовых компьютерах оставался идеей. Исследователи не могли изобрести подходящую технологию, которая могла бы быть интегрирована с квантовым чипом и генерировать микроволновые поля при достаточно низких мощностях.

В нашей работе мы показываем, что компонент, известный как диэлектрический резонатор, наконец, может позволить это. Диэлектрический резонатор представляет собой небольшой прозрачный кристалл, который улавливает микроволны в течение короткого периода времени.

Захват микроволн, явление, известное как резонанс, позволяет им дольше взаимодействовать со спиновыми кубитами и значительно снижает мощность микроволн, необходимую для генерации управляющего поля. Это было жизненно важно для работы технологии внутри холодильника.

В нашем эксперименте мы использовали диэлектрический резонатор для создания управляющего поля над областью, которая могла содержать до четырех миллионов кубитов. Квантовый чип, использованный в этой демонстрации, представлял собой устройство с двумя кубитами. Мы смогли показать, что микроволны, создаваемые кристаллом, могут менять спиновое состояние каждого из них.

Путь к полномасштабному квантовому компьютеру.

Еще предстоит много работы, прежде чем эта технология сможет управлять миллионом кубитов. Для нашего исследования нам удалось перевернуть состояние кубитов, но пока не удалось создать произвольные состояния суперпозиции.

Продолжаются эксперименты, чтобы продемонстрировать эту возможность. Нам также необходимо дополнительно изучить влияние диэлектрического резонатора на другие аспекты квантового процессора.

Тем не менее, мы считаем, что инженерные проблемы в конечном итоге будут преодолимы — они устранят одно из величайших препятствий на пути реализации крупномасштабного квантового компьютера на основе спина.

Джаррид Пла, старший преподаватель квантовой инженерии, UNSW, и Эндрю Дзурак, профессор квантовой инженерии, UNSW.