Создан лучший квантовый бит
Группа исследователей из Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США (DOE) в тесном сотрудничестве с доцентом инженерного факультета FAMU-FSU Wei Guo объявила о создании новой платформы кубитов, которая показывает большие перспективы превратиться в будущие квантовые компьютеры. Их работы опубликованы в Nature.
Иллюстрация платформы кубита, состоящей из одного электрона на сплошном неоне. Исследователи заморозили газообразный неон в твердое тело при очень низких температурах, распылили электроны из лампочки на твердое тело и захватили там один электрон, чтобы создать кубит. Предоставлено: Dafei Jin/Аргоннская национальная лаборатория
Вы, несомненно, просматриваете эту статью на цифровом устройстве, основной единицей информации которого является бит, либо 0, либо 1. Ученые всего мира спешат разработать компьютер нового типа, основанный на использовании квантовых битов, или кубитов, которые могут одновременно быть 0 и 1 и когда-нибудь сможет решать сложные задачи, недоступные любым классическим суперкомпьютерам.
Группа исследователей из Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США (DOE) в тесном сотрудничестве с доцентом инженерного факультета FAMU-FSU Wei Guo объявила о создании новой платформы кубитов, которая показывает большие перспективы превратиться в будущие квантовые компьютеры. Их работы опубликованы в Nature.
«Квантовые компьютеры могут стать революционным инструментом для выполнения вычислений, которые практически невозможны для классических компьютеров, но еще многое предстоит сделать, чтобы сделать их реальностью», — сказал Го, соавтор статьи. «С этим исследованием мы думаем, что совершили прорыв, который имеет большое значение для создания кубитов, которые помогут реализовать потенциал этой технологии».
Команда создала свой кубит, заморозив газообразный неон в твердое тело при очень низких температурах, распылив электроны из лампочки на твердое тело и захватив там один электрон.
Хотя существует множество вариантов типов кубитов, команда выбрала самый простой — один электрон. Нагрев простой световой нити, такой как в детской игрушке, может легко выпустить безграничный запас электронов.
Одним из важных качеств кубитов является их способность оставаться в состоянии 0 или 1 одновременно в течение длительного времени, что известно как «время когерентности». Это время ограничено, и этот предел определяется тем, как кубиты взаимодействуют с окружающей средой. Дефекты в системе кубитов могут значительно сократить время когерентности.
По этой причине команда решила поймать электрон на сверхчистой твердой поверхности неона в вакууме. Неон является одним из шести инертных элементов, то есть он не вступает в реакцию с другими элементами.
«Из-за этой инертности твердый неон может служить самым чистым твердым телом в вакууме для размещения и защиты любых кубитов от разрушения», — сказал Дафей Джин, аргоннский ученый и главный исследователь проекта.
Используя сверхпроводящий резонатор размером с микросхему — как миниатюрную микроволновую печь — команда смогла манипулировать захваченными электронами, позволяя им считывать и сохранять информацию с кубита, что делает его полезным для использования в будущих квантовых компьютерах.
В предыдущих исследованиях в качестве среды для удержания электронов использовался жидкий гелий. Этот материал было легко очистить от дефектов, но колебания свободной от жидкости поверхности могли легко нарушить состояние электрона и, следовательно, поставить под угрозу работу кубита.
Твердый неон предлагает материал с небольшим количеством дефектов, который не вибрирует, как жидкий гелий. После создания своей платформы команда выполняла операции с кубитами в реальном времени, используя микроволновые фотоны на захваченном электроне, и охарактеризовала его квантовые свойства. Эти тесты продемонстрировали, что твердый неон обеспечивает надежную среду для электрона с очень низким электрическим шумом, который может его побеспокоить. Что наиболее важно, кубит достиг времени когерентности в квантовом состоянии, конкурентоспособного с другими современными кубитами.
По словам Джина, простота платформы кубитов также должна обеспечивать простое и недорогое производство.
Перспективы квантовых вычислений заключаются в способности этой технологии следующего поколения решать определенные задачи намного быстрее, чем классические компьютеры. Исследователи стремятся объединить длительное время когерентности со способностью нескольких кубитов связываться друг с другом, известной как запутанность. Таким образом, квантовые компьютеры могли бы найти ответы на проблемы, на решение которых у классического компьютера ушли бы многие годы.
Рассмотрим задачу, в которой исследователи хотят найти самую низкую энергетическую конфигурацию белка, состоящего из многих аминокислот. Эти аминокислоты могут складываться триллионами способов, на которые не способен ни один классический компьютер. С помощью квантовых вычислений можно использовать запутанные кубиты для создания суперпозиции всех конфигураций складывания, что дает возможность одновременно проверять все возможные ответы и более эффективно решать проблему.
«Исследователям нужно было бы просто сделать один расчет вместо того, чтобы пробовать триллионы возможных конфигураций», — сказал Го.
