|
Создание отказоустойчивого квантового компьютера
|
|
|
|
В будущем квантовые компьютеры смогут быстро моделировать новые материалы или помогать ученым разрабатывать более быстрые модели машинного обучения, открывая путь ко многим новым возможностям. Но эти приложения станут возможны только в том случае, если квантовые компьютеры смогут выполнять операции чрезвычайно быстро, чтобы ученые могли проводить измерения и вносить коррективы до того, как увеличивающееся количество ошибок снизит их точность и надежность.
|
|
|
|
Эффективность этого процесса измерения, известного как считывание, зависит от силы связи между фотонами, которые являются частицами света, несущими квантовую информацию, и искусственными атомами, единицами материи, которые часто используются для хранения информации в квантовом компьютере.
|
|
|
|
Теперь исследователи Массачусетского технологического института продемонстрировали то, что, по их мнению, является самой сильной нелинейной связью между светом и веществом, когда-либо достигавшейся в квантовой системе. Их эксперимент является шагом к реализации квантовых операций и считывания данных, которые могут быть выполнены за несколько наносекунд. Результаты исследования опубликованы в Nature Communications.
|
|
|
|
Исследователи использовали новую архитектуру сверхпроводящей схемы, чтобы продемонстрировать нелинейную связь света и вещества, которая примерно на порядок сильнее, чем в предыдущих демонстрациях, что может позволить квантовому процессору работать примерно в 10 раз быстрее.
|
|
|
|
|
|
|
Предстоит еще многое сделать, прежде чем архитектура сможет быть использована в реальном квантовом компьютере, но демонстрация фундаментальной физики, лежащей в основе этого процесса, является важным шагом в правильном направлении, говорит доктор философии Юйфэн "Брайт" Йе, ведущий автор статьи, посвященной этому исследованию.
|
|
|
|
"Это действительно устранило бы одно из узких мест в квантовых вычислениях. Обычно вам приходится оценивать результаты ваших вычислений в промежутках между этапами исправления ошибок. Это может ускорить то, как быстро мы сможем достичь отказоустойчивой стадии квантовых вычислений и сможем использовать наши квантовые компьютеры в реальных приложениях", - говорит Йе.
|
|
|
|
К нему присоединился старший автор Кевин О'Брайен, доцент и главный исследователь Исследовательской лаборатории электроники Массачусетского технологического института, который возглавляет группу квантово-когерентной электроники на факультете электротехники и компьютерных наук (EECS), а также другие сотрудники Массачусетского технологического института, лаборатории Линкольна Массачусетского технологического института и Гарварда. Университет.
|
|
Новый соединитель
|
|
|
|
Эта физическая демонстрация основана на многолетних теоретических исследованиях группы О'Брайена.
|
|
|
|
После того, как Йе присоединился к лаборатории в качестве аспиранта в 2019 году, он начал разрабатывать специализированный детектор фотонов для улучшения обработки квантовой информации.
|
|
|
|
Благодаря этой работе он изобрел новый тип квантового соединителя, который представляет собой устройство, облегчающее взаимодействие между кубитами. Кубиты являются строительными блоками квантового компьютера. У этого так называемого квартонного соединителя было так много потенциальных применений в квантовых операциях и считывании данных, что он быстро стал предметом пристального внимания лаборатории.
|
|
|
|
Квартоновый соединитель представляет собой особый тип сверхпроводящей схемы, обладающей потенциалом для создания чрезвычайно сильной нелинейной связи, которая необходима для работы большинства квантовых алгоритмов. Поскольку исследователи подают в соединитель больше тока, это создает еще более сильное нелинейное взаимодействие. В этом смысле нелинейность означает, что поведение системы превосходит сумму ее частей, проявляя более сложные свойства.
|
|
|
|
"Большинство полезных взаимодействий в квантовых вычислениях происходят от нелинейного взаимодействия света и вещества. Если вы сможете получить более широкий спектр различных типов взаимодействия и увеличить силу взаимодействия, то вы сможете существенно увеличить скорость обработки данных квантового компьютера", - объясняет Йе.
|
|
|
|
Для квантового считывания данных исследователи направляют микроволновый свет на кубит, а затем, в зависимости от того, находится ли этот кубит в состоянии 0 или 1, происходит сдвиг частоты на соответствующем считывающем резонаторе. Они измеряют этот сдвиг, чтобы определить состояние кубита.
|
|
|
|
Нелинейная связь света и материи между кубитом и резонатором обеспечивает этот процесс измерения.
|
|
|
|
Исследователи Массачусетского технологического института разработали архитектуру с квартонным ответвителем, подключенным к двум сверхпроводящим кубитам на кристалле. Они превращают один кубит в резонатор, а другой используют в качестве искусственного атома, который хранит квантовую информацию. Эта информация передается в виде частиц микроволнового излучения, называемых фотонами.
|
|
|
|
"Взаимодействие между этими сверхпроводящими искусственными атомами и микроволновым излучением, которое направляет сигнал, - это, по сути, то, как строится весь сверхпроводящий квантовый компьютер", - объясняет Йе.
|
|
|
|
Что позволяет ускорить считывание данных
|
|
|
|
Квартоновый соединитель создает нелинейную связь между светом и веществом между кубитом и резонатором, которая примерно на порядок сильнее, чем удавалось достичь исследователям ранее. Это может позволить создать квантовую систему с молниеносным считыванием данных.
|
|
|
|
"Эта работа - еще не конец истории. Это демонстрация фундаментальной физики, но сейчас в группе продолжается работа над действительно быстрым считыванием данных", - говорит О'Брайен.
|
|
|
|
Это потребовало бы добавления дополнительных электронных компонентов, таких как фильтры, для создания схемы считывания, которая могла бы быть встроена в более крупную квантовую систему.
|
|
|
|
Исследователи также продемонстрировали чрезвычайно сильную связь материя-вещество, еще один тип взаимодействия кубитов, который важен для квантовых операций. Это еще одна область, которую они планируют исследовать в своей будущей работе.
|
|
|
|
Быстрые операции и считывание данных особенно важны для квантовых компьютеров, поскольку кубиты имеют ограниченный срок службы - понятие, известное как время когерентности.
|
|
|
|
Более сильная нелинейная связь позволяет квантовому процессору работать быстрее и с меньшими ошибками, поэтому кубиты могут выполнять больше операций за тот же промежуток времени. Это означает, что кубиты могут выполнять больше циклов исправления ошибок в течение своего срока службы.
|
|
|
|
"Чем больше циклов исправления ошибок вы сможете выполнить, тем меньше будет ошибок в результатах", - говорит Йе.
|
|
|
|
В долгосрочной перспективе эта работа может помочь ученым создать отказоустойчивый квантовый компьютер, который необходим для практических крупномасштабных квантовых вычислений.
|
|
|
|
Источник
|
