|
Несколько методов управления всего одним атомом
|
|
|
|
Инженеры по квантовым вычислениям из Университета Нового Южного Уэльса в Сиднее показали, что они могут кодировать квантовую информацию — специальные данные в квантовом компьютере — четырьмя уникальными способами внутри одного атома внутри кремниевого чипа. Это решение может облегчить некоторые проблемы, связанные с управлением десятками миллионов квантовых вычислительных устройств всего на нескольких квадратных миллиметрах кремниевого квантового компьютерного чипа. В статье, опубликованной в журнале Nature Communications, инженеры описывают, как они использовали 16 квантовых «состояний» атома сурьмы для кодирования квантовой информации. Сурьма — это тяжелый атом, который можно имплантировать в кремниевый чип, заменив один из существующих атомов кремния. Он был выбран потому, что его ядро обладает восемью различными квантовыми состояниями, а также электрон с двумя квантовыми состояниями, в результате чего в общей сложности получается 8 x 2 = 16 квантовых состояний, и все это в пределах одного атома.
|
|
|
|
Для достижения того же количества состояний с использованием простых квантовых битов (или кубитов, базовой единицы квантовой информации) потребуется изготовить и соединить четыре из них. Ведущий автор Ирен Фернандес де Фуэнтес говорит, что команда под руководством профессора Scientia Андреа Морелло опиралась на более чем десятилетнюю работу, которая установила различные методы квантового контроля и показала, что все они возможны в пределах одного и того же атома. Атом сурьмы был имплантирован в чип коллегами из Мельбурнского университета с использованием оборудования ускорителей тяжелых ионов Австралийского национального университета. «Во-первых, мы показали, что можем управлять электроном сурьмы с помощью колеблющегося магнитного поля, подобно прорыву в 2012 году, когда кубит был впервые продемонстрирован в кремнии», — говорит она. «Затем мы показали, что можем использовать магнитное поле для управления вращением ядра сурьмы. Это стандартный метод магнитного резонанса, который используется, например, в аппаратах МРТ в больницах. Третий метод заключался в управлении ядром атома сурьмы. с электрическим полем, что было обнаружено по счастливой случайности в 2020 году.
|
|
|
«И четвертый способ заключался в том, чтобы управлять как ядром сурьмы, так и электроном, находясь в оппозиции друг к другу, используя электрическое поле с помощью так называемых триггерных кубитов, что было продемонстрировано этой командой в прошлом году. «Этот последний эксперимент показывает, что все четыре метода могут использоваться в одном и том же кремниевом чипе с одной и той же архитектурой». Преимущество четырех разных методов заключается в том, что каждый из них дает компьютерным инженерам и физикам большую гибкость при проектировании будущих чипов квантовых вычислений. Например, магнитный резонанс быстрее электрического, но магнитное поле широко распространяется в пространстве, поэтому оно может воздействовать и на соседние атомы. Электрический резонанс, хотя и медленнее, может применяться очень локально, чтобы выбрать один конкретный атом, не затрагивая ни одного из его соседей. «Благодаря этому большому атому сурьмы у нас есть полная гибкость в том, как мы можем интегрировать его со структурой управления на кремниевом чипе», — говорит профессор Морелло.
|
|
|
|
Квантовые компьютеры будущего будут иметь миллионы, если не миллиарды кубитов, работающих одновременно для обработки чисел и моделирования моделей за считанные минуты, на создание которых у современных суперкомпьютеров уйдут сотни или даже тысячи лет. Хотя некоторые команды по всему миру добились прогресса в использовании большого количества кубитов, например модель Google с 70 кубитами или версия IBM, в которой их более 1000, им требуется гораздо больше места, чтобы их кубиты могли работать, не мешая друг другу. Но подход, который проф. Морелло и другие коллеги избрали в Университете Нового Южного Уэльса, заключается в разработке квантовых вычислений с использованием технологий, уже используемых для создания обычных компьютеров. Хотя прогресс может быть медленнее с точки зрения количества рабочих кубитов, преимущество использования кремния будет означать возможность иметь миллионы кубитов на квадратный миллиметр чипа. «Мы инвестируем в технологию, которая сложнее и медленнее, но по очень веским причинам, одна из которых — чрезвычайная плотность информации, с которой она сможет справиться», — говорит профессор Морелло.
|
|
|
|
«Очень хорошо иметь 25 миллионов атомов в квадратном миллиметре, но вам придется управлять ими один за другим. Гибкость, позволяющая делать это с помощью магнитных полей, электрических полей или любой их комбинации, даст нам много возможностей». варианты, с которыми можно поиграть при масштабировании системы». Далее группа будет использовать большое вычислительное пространство атома сурьмы для выполнения квантовых операций, которые гораздо более сложны, чем те, которые выполняются обычными кубитами. Они планируют закодировать «логический» кубит внутри атома — кубит, построенный на более чем двух квантовых уровнях, чтобы получить достаточную избыточность для обнаружения и исправления ошибок по мере их возникновения. «Это следующий рубеж практического и полезного оборудования для квантовых компьютеров», — говорит профессор Морелло. «Возможность построить логический кубит с исправлением ошибок внутри одного атома станет огромной возможностью для масштабирования кремниевого квантового оборудования до такой степени, что оно станет коммерчески полезным».
|
|
|
|
Источник
|
