Квантовые вычисления — это развивающаяся технология, которая кодирует и обрабатывает информацию, используя физические законы, управляющие Вселенной на самых малых масштабах. Квантовые системы обладают потенциалом для решения определенных задач, выходящих за рамки возможностей даже самых совершенных современных вычислительных технологий. Однако создание машины, способной реализовать этот потенциал, долгое время оставалось сложной задачей. Сегодня появилось несколько архитектур, предлагающих различные пути для масштабируемого выполнения квантовых алгоритмов.
Основной единицей квантовых вычислений является квантовый бит, или кубит. Это физические объекты, такие как атомы, электроны или сверхпроводящие цепи, чьи внутренние свойства квантованы, что означает, что они принимают дискретные (а не непрерывные) значения, в которые мы можем закодировать нули и единицы вычислений. Будучи квантово-механическими, эти значения также могут находиться в состоянии суперпозиции — линейной комбинации нуля и единицы — и запутываться друг с другом, благодаря чему информация распределяется сразу между несколькими кубитами. Квантовый компьютер должен подготавливать состояния кубитов и манипулировать ими, а в конце вычислений измерять массив для получения финальной битовой строки.
В настоящее время IBM исследует две аппаратные архитектуры для квантовых вычислений. Первая и более зрелая из них основана на сверхпроводящем трансмонном кубите, который изготавливается из сверхпроводящих электрических цепей — цепей, передающих электрический ток без сопротивления и способных принимать дискретные энергетические состояния. Второй и более новый подход основан на спиновых кубитах, которые кодируют и манипулируют информацией, хранящейся в спиновом состоянии отдельных электронов. HRL Laboratories, компания IBM, занимается разработкой спиновых кубитов.
- Что такое спин?
- Как спин может представлять кубиты?
- Каковы сравнительные преимущества спиновых кубитов?
Что такое спин?
Спин — это внутреннее квантовое свойство, не имеющее классического аналога, хотя некоторая его математика выглядит похожей на математику вращающегося шара. Спины электронов могут быть направлены либо вверх, либо вниз, принимая значения плюс одна вторая или минус одна вторая. При измерении квантовые спины никогда не могут принимать значения, отличные от этих вариантов, что нарушает прямую аналогию с вращающимся шаром, который может вращаться быстрее или медленнее, или вращаться вокруг другой оси, отличной от той, которую вы измеряете. Спин может проявляться по-разному в атомах, молекулах и материалах: несколько электронов, работающих вместе, могут принимать более высокие спиновые состояния или даже проявлять спин из-за отсутствия электрона («дырка»). Квантовый компьютер на основе спинов кодирует информацию в выбранных состояниях одного или нескольких спинов.
Использование спинового кубита сначала требует захвата одного или нескольких отдельных электронов в структуры, называемые квантовыми точками. Квантовые точки HRL используют слой кремния, зажатый между слоями кремний-германия, которые ограничивают электрон в этом кремниевом слое в двухмерной плоскости. Затем мы подаем напряжение на микроскопический металлический затвор, изготовленный поверх этой «гетероструктуры», захватывая электрон непосредственно под затвором. Существуют и другие способы захвата электронов с использованием различных структур квантовых точек или даже имплантированных атомов.
Как спин может представлять кубиты?
Существует несколько типов архитектур спиновых кубитов. Вот два самых популярных:
- В спиновом кубите Лосса-ДиВинченцо одна квантовая точка захватывает один электрон, состояние которого управляется микроволновыми импульсами. Направление спина (вверх или вниз) хранит значение кубита. Соседние кубиты запутываются за счет того, что квантовые волновые функции электронов кратковременно перекрываются с помощью импульсов напряжения на затворах, создавая «обменное» взаимодействие.
- Кубиты, основанные только на обмене, используют три квантовые точки (и, следовательно, три электрона) для представления одного кубита. Этот тип кубита может полностью контролироваться посредством электрон-электронных обменных взаимодействий (без микроволн) с помощью импульсов напряжения основной полосы частот, подобных тем, что используются в обычной электронике, хотя их требуется много.
HRL разработала архитектуру спиновых кубитов на основе кубитов, использующих только обмен, совсем недавно продемонстрировав полную систему с 54 квантовыми точками, конфигурируемую для размещения до 18 кубитов, на которой мы реализовали простой код обнаружения квантовых ошибок. Как и сверхпроводящие квантовые процессоры, спиновые кубиты должны содержаться в холоде в рефрижераторе растворения.
Каковы сравнительные преимущества спиновых кубитов?
Спиновые кубиты обладают рядом свойств, которые делают их многообещающими кандидатами для квантовых вычислений. Они имеют высокую точность операций (гейтов) и могут быть изготовлены с использованием передовых полупроводниковых процессов, что делает их пригодными для масштабирования до большого количества кубитов, необходимого для многих квантовых приложений. Спиновые кубиты относительно быстрые — безусловно, быстрее, чем ионные ловушки или нейтральные атомы. Однако, учитывая скорость измерения, они не так быстры, как сверхпроводящие квантовые процессоры.
Пожалуй, самое важное: поскольку кубиты, основанные только на обмене, полагаются только на импульсы напряжения для выполнения операций, этим кубитам требуются относительно простые сигналы управления. В той же статье, где HRL продемонстрировала базовую коррекцию ошибок, квантовый процессор управлялся полностью с помощью специализированного CMOS-чипа, работающего при температуре 4 К, рядом с самой холодной пластиной рефрижератора растворения. Это значительно сократило количество необходимых соединений с комнатной температурой, что позволит будущим системам быстрее расти в размерах. Это будет большей проблемой для кубитов, которые полагаются на микроволны для управления, поскольку это оборудование, как правило, должно оставаться при комнатной температуре и соединяться с кубитами длинными коаксиальными кабелями.
Квантовые компьютеры на основе спиновых кубитов в настоящее время не имеют такого количества кубитов, как сверхпроводящие, и существуют проблемы с масштабированием. Мы работаем над тем, чтобы сделать наши кубиты более однородными и улучшить выход годных изделий при их изготовлении, используя мощности в Anderon. Мы также должны снизить количество энергии, потребляемой нашим контроллером, и дополнительно консолидировать проводку, необходимую по мере масштабирования. У нас ведутся исследования, чтобы решить эти и другие проблемы.
Существуют сравнительные преимущества параллельной разработки спиновых кубитов и сверхпроводящих кубитов. Оба типа основаны на технологии производства полупроводников, поэтому достижения в создании одной платформы потенциально могут принести пользу другой. Кроме того, учитывая сходство их базовых аппаратных платформ, мы рады возможности исследовать гибридные системы, использующие оба типа архитектуры кубитов.
В конечном итоге мы ожидаем, что сверхпроводящие кубиты приведут нас в эру отказоустойчивости раньше, чем спиновые кубиты, начиная с IBM Quantum Starling и продолжая IBM Quantum Blue Jay. Тем не менее, IBM также продвигается вперед со спиновыми кубитами, чтобы лучше понять, как они могут способствовать созданию будущих, более крупных или менее дорогих систем. Мы рады, что спиновые кубиты являются частью нашего портфеля, поскольку мы работаем над тем, чтобы сделать полезные квантовые вычисления доступными для всего мира.
