В недавней статье Nature группа американских ученых рассказала о создании обновленной кубитной платформы, образованной путем перевода неона в твердое состояние при весьма низких температурах. Эта система обещает превратиться в идеальные строительные блоки для будущих квантовых компьютеров.
Чтобы реализовать полезный квантовый компьютер, требования к качеству кубитов чрезвычайно высоки. Хотя сегодня существуют различные формы кубитов, ни одна из них не идеальна.
Что могло бы стать идеальным кубитом? По словам исследователя Дафей Цзинь, у него есть как минимум три безукоризненных качества.
Он может оставаться в состоянии 0 и 1 в одно и то же время на протяжении долгого времени. Ученые называют это продолжительное время «когерентностью». В идеале это время должно быть около секунды, временной шаг, который мы можем увидеть на домашних часах в нашей повседневной жизни.
Во-вторых, кубит может быть переведен из одного состояния в другое за короткое время. В идеале это время должно составлять около одной миллиардной доли секунды (наносекунды), что соответствует временному шагу классических компьютерных часов.
В-третьих, кубит можно легко связать со многими другими кубитами, чтобы они могли работать параллельно друг с другом. Ученые называют эту связь запутанностью.
Хотя в настоящее время хорошо известные кубиты не идеальны, такие компании, как IBM, Intel, Google, Honeywell и многие стартапы выбрали своих фаворитов. Они настойчиво занимаются технологическим усовершенствованием и коммерциализацией.
«Наша амбициозная цель — не конкурировать с этими компаниями, а открыть и построить принципиально новую систему кубитов, которая может стать идеальной платформой», — сказал Джин.
Хотя существует множество вариантов типов кубитов, команда выбрала самый простой — один электрон. Нагрев простой световой нити, которую вы можете найти в детской игрушке, может легко выпустить безграничный запас электронов.
Одна из проблем для любого кубита, включая электрон, заключается в том, что он очень чувствителен к возмущениям из своего окружения. Таким образом, команда решила поймать электрон на сверхчистой твердой поверхности неона в вакууме.
Ключевым компонентом кубитовой платформы команды является микроволновый резонатор размером с чип, сделанный из сверхпроводника. (Гораздо более крупная домашняя микроволновая печь также является микроволновым резонатором.) Сверхпроводники — металлы без электрического сопротивления — позволяют электронам и фотонам взаимодействовать друг с другом почти при абсолютном нуле с минимальной потерей энергии или информации.
«Микроволновой резонатор позволяет считывать состояние кубита», — говорит Катер Марч, профессор физики Вашингтонского университета в Сент-Луисе и старший соавтор статьи. «Он концентрирует взаимодействие между кубитом и микроволновым сигналом. Это позволяет нам проводить измерения, показывающие, насколько хорошо работает кубит».
«С помощью этой платформы мы впервые достигли сильной связи между одним электроном в почти вакуумной среде и одним микроволновым фотоном в резонаторе», — сказал Сяньцзин Чжоу, постдокторант в Аргонне и первый автор исследования. бумага. «Это открывает возможность использовать микроволновые фотоны для управления каждым электронным кубитом и связывать многие из них в квантовом процессоре», — добавил Чжоу.
Команда протестировала платформу в научном приборе, называемом рефрижератором растворения, который может достигать температуры всего на 10 миллиградусов выше абсолютного нуля. Этот инструмент является одним из многих квантовых возможностей в Аргоннском центре наноразмерных материалов, пользовательском объекте Управления науки Министерства энергетики США.
«Наши кубиты на самом деле так же хороши, как те, которые люди разрабатывали в течение 20 лет», — сказал Дэвид Шустер, профессор физики Чикагского университета и старший соавтор статьи. «Это только наша первая серия экспериментов. Наша платформа кубитов далеко не оптимизирована. Мы продолжим улучшать время когерентности. А поскольку скорость работы этой платформы кубитов чрезвычайно высока, всего несколько наносекунд, большое количество запутанных кубитов».
У этой замечательной платформы кубитов есть еще одно преимущество. «Благодаря относительной простоте платформы электрон-на-неоне ее легко производить при низких затратах», — сказал Джин. «Казалось бы, идеальный кубит может появиться на горизонте».
