Квантовые компьютеры могут решать задачи, которые обычным компьютерам кажутся невозможными. Обычные компьютерные чипы могут обрабатывать только определенное количество информации за один раз, и мы очень близки к достижению их физического придела. Напротив, уникальные свойства материалов для квантовых вычислений позволяют обрабатывать больше информации намного быстрее.

Эти достижения могут произвести революцию в определенных областях научных исследований. Определение материалов с определенными характеристиками, понимание фотосинтеза и открытие новых лекарств — все это требует огромных объемов вычислений. Теоретически квантовые вычисления могут решить эти проблемы быстрее и эффективнее. Квантовые вычисления также могут открыть возможности, о которых мы даже не задумывались. Это как микроволновая печь против обычной духовки — разные технологии с разными целями.

Но мы еще не достигли цели. На данный момент одна компания заявила, что ее квантовый компьютер может выполнять определенные вычисления быстрее, чем самые быстрые классические суперкомпьютеры. До ученых, регулярно использующих квантовые компьютеры для ответа на научные вопросы, еще далеко. Чтобы использовать квантовые компьютеры в больших масштабах, нам необходимо улучшить технологию, лежащую в их основе — кубиты.

Кубиты — это квантовая версия самой основной формы информации обычных компьютеров, битов.

Что особенного в кубитах?

В атомном масштабе физика становится очень странной. Электроны, атомы и другие квантовые частицы взаимодействуют друг с другом иначе, чем обычные объекты. В определенных материалах мы можем использовать это странное поведение. Некоторые из этих свойств — особенно суперпозиция и запутанность — могут быть чрезвычайно полезны в вычислительной технике.

Принцип суперпозиции заключается в том, что кубит может находиться в нескольких состояниях одновременно. С традиционными битами у вас есть только два варианта: 1 или 0. Эти двоичные числа описывают всю информацию на любом компьютере. Кубиты сложнее.

Представьте себе кастрюлю с водой. Когда у вас есть вода в кастрюле с крышкой, вы не знаете, кипит она или нет. Обычно вода либо кипит, либо нет — точка зрения не меняет ее состояния. Но если бы горшок находился в квантовой сфере, вода (представляющая квантовую частицу) могла одновременно кипеть и не кипеть, или любая линейная суперпозиция этих двух состояний могла бы быть справедливой. Если бы вы сняли крышку с этой квантовой кастрюли, вода сразу же перешла бы в то или иное состояние. Измерение переводит квантовую частицу (или воду) в определенное наблюдаемое состояние.

Запутанность — это когда кубиты связаны друг с другом, не позволяя им действовать независимо. Это происходит, когда квантовая частица имеет состояние (например, спин или электрический заряд), которое связано с состоянием другой квантовой частицы. Эта взаимосвязь сохраняется даже тогда, когда частицы физически находятся далеко друг от друга, даже далеко за пределами атомных расстояний.

Эти свойства позволяют квантовым компьютерам обрабатывать больше информации, чем обычные биты, которые могут находиться только в одном состоянии и действуют независимо друг от друга.

Но чтобы получить любое из этих замечательных свойств, вам нужно хорошо контролировать электроны материала или другие квантовые частицы. В некотором смысле это не так уж отличается от обычных компьютеров. Независимо от того, движутся электроны через обычный транзистор или нет, значение бита будет или 1, или 0.

Вместо того, чтобы просто включать или выключать электронный поток, кубиты требуют контроля над такими хитрыми вещами, как спин электрона. Чтобы создать кубит, ученые должны найти место в материале, где они могут получить доступ к этим квантовым свойствам и управлять ими. Получив к ним доступ, они могут использовать свет или магнитные поля для создания суперпозиции, сцепления и других свойств.

Во многих материалах ученые делают это, манипулируя спином отдельных электронов. Электронный спин похож на вращение волчка; у него есть направление, угол и импульс. Спин каждого электрона либо вверх, либо вниз. Но как квантово-механическое свойство спин также может существовать в сочетании движения вверх и вниз. Чтобы повлиять на спин электронов, ученые применяют микроволны (похожие на те, что используются в вашей микроволновой печи) и магниты. Магниты и микроволны вместе позволяют ученым управлять кубитом.

С 1990-х годов ученые смогли все лучше и лучше контролировать спин электрона. Это позволило им получить доступ к квантовым состояниям и манипулировать квантовой информацией больше, чем когда-либо прежде. Независимо от того, используют ли они спин электронов или другой подход, все кубиты сталкиваются с серьезными проблемами, прежде чем мы сможем их масштабировать. Двумя наиболее важными из них являются время согласования и исправление ошибок.

Когда вы запускаете компьютер, вам нужно иметь возможность создавать и хранить часть информации, оставить ее в покое, а затем вернуться позже, чтобы получить ее. Однако, если система, хранящая информацию, изменяется сама по себе, она бесполезна для вычислений. К сожалению, кубиты чувствительны к окружающей среде и не сохраняют свое состояние очень долго.

Прямо сейчас квантовые системы подвержены множеству "шумов", которые вызывают у них низкое время когерентности (время, в течение которого они могут поддерживать свое состояние) или приводить к ошибкам. Даже если вы сможете уменьшить этот шум, ошибки все равно будут.

Чем больше кубитов у вас в игре, тем больше этих проблем умножается. Хотя самые мощные современные квантовые компьютеры имеют около 50 кубитов, вполне вероятно, что им потребуются сотни или тысячи для решения тех проблем, которые мы хотим от них.

Какие бывают кубиты?

Сообщество ученых и инженеров еще не пришло к единому решению в вопросе о том, какая из известных технологий кубитов является лучшей. По мнению большинства, у разных типов имеются разные области применения. Помимо вычислений, различные квантовые материалы могут быть полезны для квантового зондирования или сетевой квантовой связи.

Сверхпроводящие кубиты

Сверхпроводящие кубиты в настоящее время являются самой передовой технологией кубитов. Большинство существующих квантовых компьютеров используют сверхпроводящие кубиты, в том числе тот, который "побеждает" самый быстрый суперкомпьютер в мире. Они используют многослойные структуры металл-изолятор-металл, называемые джозефсоновскими переходами. Чтобы превратить эти материалы в сверхпроводники — материалы, через которые электричество может проходить без потерь, — ученые остужают их до очень низких температур. Помимо прочего, пары электронов когерентно движутся через материал, как если бы они были отдельными частицами. Это движение делает квантовые состояния более долгоживущими, чем в обычных материалах.

Сейчас все усилия по разработке сосредоточены не изучении того, как улучшить джозефсоновский переход, тонкий изолирующий барьер между двумя сверхпроводниками в кубите. Влияя на то, как движутся электроны, этот барьер позволяет управлять уровнями энергии электронов. Сделав это соединение как можно более непротиворечивым и маленьким, можно увеличить время когерентности кубита. В одной статье об этих соединениях авторы предлагают рецепт создания восьмикубитного квантового процессора, дополненный экспериментальными ингредиентами и пошаговыми инструкциями.

Кубиты с использованием дефектов

Дефекты — это места, в которых атомы отсутствуют или неправильно размещены в структуре материала. Эти пространства меняют способ движения электронов в материалах. В некоторых квантовых материалах эти пространства захватывают электроны, позволяя исследователям получать доступ и управлять их спинами. В отличие от сверхпроводников, эти кубиты не всегда должны находиться при сверхнизких температурах. У них есть потенциал, чтобы иметь долгое время согласования и производиться в больших масштабах.

Хотя алмазы обычно ценят за отсутствие недостатков, их дефекты на самом деле весьма полезны для кубитов. Добавление атома азота к месту, где обычно находится атом углерода в алмазах, создает то, что называется центром вакансий азота. Исследователи нашли способ создать трафарет длиной всего два нанометра для создания этих дефектов. Это расстояние помогло увеличить время когерентности этих кубитов и упростило их запутывание.

Но полезные дефекты не ограничиваются бриллиантами. Бриллианты дорогие, маленькие, и их трудно контролировать. Нитрид алюминия и карбид кремния дешевле, проще в использовании и уже широко используются в повседневной электронике. Ученые использовали теорию, чтобы предсказать, как правильно физически деформировать нитрид алюминия, чтобы создать электронные состояния для кубитов. Поскольку азотные вакансии возникают в нитриде алюминия естественным образом, ученые должны иметь возможность управлять вращением электронов в нем так же, как в алмазах. Другой вариант, карбид кремния, уже используется в светодиодных лампах, мощной электронике и электронных дисплеях. Удалось обнаружить, что определенные дефекты в карбиде кремния имеют время когерентности, сравнимое или более продолжительное, чем время когерентности в азотно-вакансионных центрах в алмазах.

Один из плюсов данной технологии — сравнительно простое соединение квантовой и классической техники.

Дизайн материалов

В то время как одни ученые исследуют, как использовать существующие материалы, другие выбирают другой подход — конструируют материалы с нуля. Этот подход строит индивидуальные материалы молекула за молекулой. Настраивая металлы, молекулы или ионы, связанные с металлами, и окружающую среду, ученые потенциально могут управлять квантовыми состояниями на уровне отдельной частицы.

С помощью этого подхода ученые могут ограничить количество ядерного спина (спин ядра атома) в окружающей среде кубита. Многие атомы, содержащие ядерный спин, вызывают магнитный шум, который затрудняет поддержание и контроль электронного спина. Это сокращает время когерентности кубита. Ученые уже разработали среду, в которой ядерное вращение было очень слабым. Путем тестирования различных комбинаций растворителей, температур и ионов/молекул, прикрепленных к металлу, они достигли времени когерентности 1 миллисекунду в молекуле, содержащей металлический ванадий. Это было намного более длительное время когерентности, чем когда-либо достигалось в молекуле. В то время как предыдущие молекулярные кубиты имели времена когерентности, которые были в пять раз короче, чем времена центров азотных вакансий в алмазе, это соответствовало временам когерентности в алмазах.

Резкие скачки в квантовой сфере продолжают происходить. Текущую ситуацию можно сравнить с 1950-ми годами, когда ученые исследовали потенциал транзисторов. В то время транзисторы были размером с монету. Сейчас внутри процессоров их миллиарды. Квантовые вычисления находятся в аналогичной точке развития.

 ← Читайте нас в Facebook