Достигнут критический прогресс в разработке квантовых компьютеров

Квантовые инженеры из UNSW в Сиднее устранили главное препятствие, которое мешало квантовым компьютерам стать реальностью: они открыли новую технику, которая, по их словам, будет способна контролировать миллионы спиновых кубитов — основных единиц информации в кремниевом квантовом процессоре.

До сих пор инженеры и ученые, занимающиеся квантовыми компьютерами, работали с экспериментальной моделью квантовых процессоров, демонстрируя управление лишь горсткой кубитов.

Но в своем последнем исследовании, опубликованном в журнале Science Advances, команда ученых нашла то, что они считают «недостающим кусочком мозаики» в архитектуре квантового компьютера, который должен позволить контролировать миллионы кубитов, необходимых для чрезвычайно сложных расчетов.

Джаррид Пла, преподаватель Школы электротехники и телекоммуникаций UNSW, говорит, что его исследовательская группа хотела решить проблему, которая десятилетиями ставила в тупик ученых: как управлять не только несколькими, но и миллионами кубитов, не занимая при этом ценное пространство с большим количеством проводов, потребляющим больше электроэнергии и генерирующим больше тепла.

«До этого момента управление электронными спиновыми кубитами полагалось на то, что мы доставляем микроволновые магнитные поля, пропуская ток через провод рядом с кубитом», — говорит Джаррид Пла.

«Это создает некоторые реальные проблемы, если мы хотим масштабироваться до миллионов кубитов, которые потребуются квантовому компьютеру для решения глобально значимых проблем, таких как разработка новых вакцин».

«Во-первых, магнитные поля очень быстро падают с расстоянием, поэтому мы можем контролировать только те кубиты, которые находятся ближе всего к проводу. Это означает, что нам нужно будет добавлять все больше и больше проводов, поскольку мы вводим все больше и больше кубитов, что займет много места на чипе».

А поскольку чип должен работать при низких температурах, ниже -270 ° C, Джаррид Пла говорит, что введение большего количества проводов приведет к слишком большому нагреву чипа, что снизит надежность кубитов.

«Таким образом, мы возвращаемся к возможности управлять только несколькими кубитами с помощью этой проводной техники», — говорит Джаррид Пла.

Решение этой проблемы включало полное переосмысление структуры кремниевого чипа.

Вместо того, чтобы иметь тысячи управляющих проводов на одном кремниевом чипе размером, который также должен содержать миллионы кубитов, команда изучила возможность создания магнитного поля над чипом, которое могло бы манипулировать всеми кубитами одновременно.

Идея одновременного управления всеми кубитами была впервые предложена учеными, занимающимися квантовыми вычислениями, еще в 1990-х годах, но до сих пор никто не разработал практического способа это сделать.

«Сначала мы удалили провод рядом с кубитами, а затем придумали новый способ доставки магнитных управляющих полей микроволнового диапазона по всей системе. Таким образом, в принципе, мы могли бы предоставить управляющие поля для четырех миллионов кубитов», — говорят исследователи.

Ученые представили новый компонент непосредственно над кремниевым кристаллом — кристаллическую призму, называемую диэлектрическим резонатором. Когда микроволны направляются в резонатор, он фокусирует длину волны микроволн до гораздо меньшего размера.

«Диэлектрический резонатор сокращает длину волны до менее одного миллиметра, поэтому теперь у нас есть очень эффективное преобразование микроволновой энергии в магнитное поле, которое контролирует спины всех кубитов».

«Здесь есть два ключевых нововведения. Во-первых, нам не нужно вкладывать много энергии, чтобы получить сильное движущее поле для кубитов, что, в конечном итоге, означает, что мы не выделяем много тепла. Во-вторых, поле очень однородно по всему чипу, так что все миллионы кубитов имеют одинаковый уровень контроля».

Теперь для создания квантовых компьютеров, использующих тысячи кубитов для решения задач коммерческого значения, о которых когда-то мечтали только в 80-е годы, может потребоваться менее десяти лет. Ожидается, что они привнесут новую мощь в решение глобальных проблем и разработку новых технологий благодаря своей способности моделировать чрезвычайно сложные системы.

Изменение климата, разработка лекарств и вакцин, расшифровка ДНК и искусственный интеллект — все это выиграет от технологии квантовых вычислений.