Разработана архитектура кремниевого квантового компьютера

Похоже, что сверхмощные компьютеры будущего будут иметь в своей основе тот же материал, что и современные - кремний. Новое исследование предлагает архитектуру квантовых компьютеров, в которой все компоненты идеально подходят друг другу по размеру, что открывает широкие возможности для исправления системных ошибок. А без этого, как известно, никакое продвижение к практическим и удобным квантовым вычислениям невозможно.

Все квантовые вычисления основаны на “чудаковатой” квантовой физике, которая допускает существование спинового электрона или ядра атома сразу в нескольких состояниях. Это значит, что каждый квантовый бит (кубит) может одновременно считываться как 1, так и 0 (классический компьютерный бит может быть либо 0, либо 1, но никак не обоими значениями одновременно). Ранее австралийские ученые уже демонстрировали одиночные кубиты, действие которых основано на спине электронов и ядерном спине атомов, вкрапленных в кремний. Но их последняя разработка шагнула намного дальше: созданная ими квантовая системная архитектура, наконец, делает возможным построение и управление рядами из тысяч или даже целых миллионов кубитов.

“Процесс увеличения числа составляющих архитектуры требует отхода от принципа управления каждым из них в отдельности и предполагает создание процессора, способного одновременно оперировать большим числом кубитов”,- рассказала Мишель Симмонс - физик из австралийского Университета Нового Южного Уэльса.

30 октября Симмонс и ее коллеги обнародовали подробности своих разработок на онлайн пресс-конференции журнала Science Advances. Комада из Университета Нового Южного Уэльса рассказывала об экспериментальной стороне технологии, в то время как другая команда из Мельбурнского университета поведала о ее теоретической части.

Впервые идею и квантовых вычислениях высказал еще физик из Мэрилендского университета Брюс Кейн в 1998 году. Квантовые компьютеры, в основе конструкции которых лежит широко известный кремний, теоретически могут быть построены в соответствии с общепринятыми полупроводниковыми технологиями, которые повсеместно используются в современной компьютерной промышленности. Использование кремния в квантовых структурах дает ряд преимуществ в виде повышенной стабильности и более продолжительного периода когерентности кубитов (увеличенный период когерентности означает, что кубиты способны держать в себе информацию достаточно долго, чтобы полностью завершить вычисление).

С тех пор исследователи добились солидного прогресса в воплощении идей Кейна. В 2012 году австралийские команды ученых показали способ обуздать одиночные кубиты, основанные на спинах электрона и научили мир управлять кубитами ядерного спина. Результаты тогдашней демонстрации показали рекордный период когерентности и высочайшую достоверность воспроизведения кубитами информации.

Однако до этого момента никто так и не нашел способа выстроить длинные ряды кубитов без использования непрактично громоздких контрольных схем, сохранив при этом возможность управлять ими и считывать с них информацию. Более того, исследователям требовалась архитектура, масштабы которой сделали бы возможным запуск квантовой коррекции ошибок или, как ее еще называют, поверхностного кода, использование которого невозможно без контроля над всеми кубитами сразу.

Новая разработка как раз и является решением этой проблемы. Исследователи продемонстрировали архитектуру, в которой умещается двухмерный слой кубитов с ядерным спином между верхним и нижним слоем контрольных линий. Такая трехслойная архитектура позволяет сократить число линий для одновременного управления всеми кубитами.

“Мы нашли способ задействовать гораздо меньше линий для обеспечения управления большим числом кубитов, что сильно облегчает контроль”,- рассказал Ллойд Холленберг - физик из Мельбурнского университета.

Новая архитектура теоретически способна вместить в себя до 25 миллионов физических кубитов на площади 150х150 микрометров. И для контроля над всеми этими кубитами потребуется всего лишь 10 000 контрольных линий.  Для сравнения, в устаревших архитектурах их требовалось в 1000 раз больше.

Такой теоретический слой из 25 миллионов кубитов предполагает между каждым из них расстояние в 30 нанометров. Однако Холленберг уверен, что есть способ выстроить его таким образом, чтобы сократить это расстояние и увеличить скорость произведения квантовых вычислений.

Австралийские исследователи уже начали искать способ подстроить свою кремниевую архитектуру квантовых вычислений под работу квантовой коррекции ошибок. В ближайшее время планируется построить ряды из 100-1000 не скорректированных кубитов под названием “квантовые симуляторы”. Очевидно, что этим ученые намерены совершить следующий шаг в сторону применения поверхностного кода в малых масштабах для максимальной точности квантовых вычислений.

“Мы планируем предоставить первые протоколы коррекции в течение пяти лет”,- заверила читателей Симмонс.

Этот последний прорыв ознаменовал огромный шаг к усовершенствованию квантовых вычислений с использованием кремния, однако этот способ не единственный для построения кремниевых квантовых компьютеров. Другая команда из того же Университета Нового Южного Уэльса недавно построила кремниевый двухкубитный логический вентиль, действие которого основано на захваченных в квантовых точках электронах.

В соперничестве за построение квантового компьютера используются и другие методы, не предполагающие использование кремния. В одном из исследований ученые в лаборатории пытались сделать это с помощью захвата и изоляции ионов электромагнитными полями. Другие же, включая принадлежащую Google лабораторию по разработке техники ИИ, экспериментировали с кубитами, действие которых основано на схемах из сверхпроводящих металлов. Также в этом году исследователи из Google впервые продемонстрировали поверхностный код исправления ошибок на линейном слое из девяти сверхпроводящих кубитов.