Но чтобы полностью раскрыть свой потенциал, квантовым компьютерам нужны миллионы квантовых битов, или кубитов. И тут возникает проблема, поскольку квантовые системы обработки информации должны масштабироваться до множества кубитов, а для управления даже несколькими кубитами необходима очень сложная электроника, и масштабирование этой сложной схемы представляет собой серьезное препятствие.
В недавнем теоретическом исследовании команда физиков во главе с профессором Университета Род-Айленда Ванитой Шринивасой представила модульную систему для масштабирования квантовых процессоров с гибким способом связывания кубитов на больших расстояниях, чтобы они могли работать согласованно для выполнения квантовых операций. Способность выполнять такие коррелированные или «запутывающие» операции между связанными кубитами является основой превышения мощности квантовых вычислений по сравнению с современными компьютерами.
«Каждый кубит в квантовом компьютере работает на определенной частоте. Реализация уникальных возможностей квантового компьютера зависит от возможности управлять каждым кубитом по отдельности, а также связывать пары кубитов, сопоставляя их частоты», – сказал Шриниваса, директор программы квантовой информатики URI и доцент физики. «Поскольку квантовый процессор масштабируется на большое количество кубитов, возможность одновременного выполнения обеих этих операций для каждого кубита становится очень сложной задачей.
Использование полупроводников для создания квантовых процессоров в принципе очень перспективно для масштабирования кубитов. Передовая полупроводниковая технология, существующая сегодня, составляет основу для изготовления чипов с миллиардами крошечных транзисторов и может быть использована для создания кубитов, имеющих компактные размеры, сказал Шриниваса. Кроме того, хранение кубитов во внутреннем свойстве электронов и других полупроводниковых частиц, известном как спин, обеспечивает улучшенную защиту от потери квантовой информации, присущей каждой квантовой вычислительной платформе.
Тем не менее, масштабирование квантового процессора путем простого добавления все большего количества спиновых кубитов и связанных с ними схем управления в один массив кубитов на практике также является очень сложной задачей. Теоретическая работа Шринивасы и ее коллег решает эту проблему, предоставляя пошаговое руководство, которое показывает несколько способов запутывания спиновых кубитов на больших расстояниях с гибкостью в согласовании их частот. Полученная гибкость открывает путь к модульной квантовой обработке информации на основе полупроводников, которая представляет собой альтернативный подход к созданию многокубитных систем с использованием небольших массивов кубитов – модулей, которые могут быть изготовлены уже сегодня, и их соединения надежными запутанными связями дальнего действия.
«Этот подход к масштабированию похож на создание более крупной системы с использованием блоков LEGO фиксированного размера, которые похожи на отдельные модули, и соединение их с помощью более длинных деталей, достаточно прочных, чтобы поддерживать связи между блоками в течение достаточного времени, прежде чем внешние воздействия разорвут их», – сказал Шриниваса. «При наличии быстрых и надежных каналов связи между кубитами на большие расстояния такой модульный подход позволяет масштабироваться, предоставляя при этом больше места для схемы управления спиновым кубитом». Полностью модульные квантовые процессоры на основе полупроводников еще предстоит продемонстрировать.
Несмотря на то, что существует множество типов кубитов и соответствующее разнообразие способов их взаимодействия, исследователи решили изучить спиновые кубиты на основе квантовых точек, которые взаимодействуют через микроволновые фотоны в сверхпроводящей полости. Квантовые точки – это атомоподобные структуры, созданные для удержания электронов и других частиц, используемых для определения кубитов, в небольших пространствах внутри полупроводников и управления ими по отдельности путем подачи напряжения. Кроме того, сверхпроводящие резонаторы – это искусственные структуры, которые удерживают фотоны, но намного больше, чем квантовые точки, с размером, определяемым длиной волны микроволн.
Недавние эксперименты продемонстрировали связи на большие расстояния между спиновыми кубитами на квантовых точках с использованием фотонов микроволнового резонатора. (Первая демонстрация двух спиновых кубитов в кремнии была достигнута экспериментальной исследовательской группой соавтора Джейсона Петта.)
Тем не менее, настройка всех частот кубитов и фотонов таким образом, чтобы они точно совпадали и могли обмениваться энергией – условие, называемое резонансом – для установления связи была проблемой даже на уровне двух кубитов, говорится в статье. Чтобы решить эту проблему, исследователи представили подход к связыванию кубитов с помощью микроволновых фотонов, который не зависит от одновременного резонанса между всеми исходными частотами кубитов и резонаторов.
Дополнительные частоты могут быть сгенерированы путем приложения колебательного напряжения к каждому спиновому кубиту, который перемещает спины вперед и назад в квантовых точках. Если это движение вперед и назад достаточно быстрое, то для каждого кубита создаются две частоты боковой полосы – одна более высокая и одна более низкая по частоте, чем исходная частота кубита – в дополнение к их характерной частоте.
Добавление частот боковой полосы приводит к трем способам настройки каждого кубита в резонанс с фотонами микроволнового резонатора и, следовательно, к девяти различным условиям, при которых два кубита могут быть связаны. Такая гибкость условий резонанса значительно облегчила бы добавление кубитов в систему, поскольку их не нужно настраивать на одну и ту же частоту. Кроме того, девять способов связывания двух кубитов позволяют выбрать несколько различных типов операций запутывания, просто установив соответствующие осциллирующие напряжения, без необходимости изменять структуру квантовых точек или фотонов резонаторов. Универсальность типов запутанных звеньев позволяет расширить набор элементарных квантовых операций, с помощью которых можно выполнять вычисления. Наконец, исследователи показывают, что предложенный ими метод запутывания менее чувствителен к утечке фотонов из полости, чем предыдущие подходы, что позволяет создавать более надежные связи на большие расстояния между спиновыми кубитами.
Источник: https://scitechdaily.com/new-research-unveils-a-scalable-path-to-quantum-processors/
