Кубиты на свободе: «тумблер» NIST и будущее квантовых вычислений

Национальный институт стандартов и технологий (NIST), 17 августа 2023 г.

Ученые из NIST представили устройство «тумблера» для квантовых компьютеров, которое регулирует соединения между кубитами и резонатором считывания. Устройство решает такие проблемы, как шум и ограничения перепрограммирования, открывая путь к более гибким и точным квантовым вычислениям.

Новое устройство может привести к созданию более универсальных квантовых процессоров с более четкими выходными данными.

Какая польза от мощного компьютера, если вы не можете прочитать его выходные данные? Или легко перепрограммировать его для выполнения другой работы? Люди, разрабатывающие квантовые компьютеры, сталкиваются с этими проблемами, и новое устройство может облегчить их решение.

Устройство, представленное группой ученых из Национального института стандартов и технологий (NIST), включает в себя два сверхпроводящих квантовых бита или кубита, которые являются аналогом логических битов в процессоре классического компьютера. В основе этой новой стратегии лежит устройство «тумблер», которое соединяет кубиты со схемой, называемой «резонатором считывания», которая может считывать выходные данные вычислений кубитов.

Этот тумблер можно переводить в разные состояния, чтобы регулировать силу соединений между кубитами и резонатором считывания. При выключении все три элемента изолированы друг от друга. Когда переключатель включен для соединения двух кубитов, они могут взаимодействовать и выполнять вычисления. После завершения вычислений тумблер может соединить любой из кубитов и резонатор считывания для получения результатов.

Наличие программируемого тумблера во многом способствует снижению шума — распространенной проблемы в схемах квантовых компьютеров, из-за которой кубитам трудно выполнять вычисления и четко отображать свои результаты.

На этом фото показана центральная рабочая область устройства. В нижней части три больших прямоугольника (голубого цвета) представляют собой два квантовых бита или кубита справа и слева, а также резонатор в центре. В верхней, увеличенной части, прохождение микроволн через антенну (большой темно-синий прямоугольник внизу) индуцирует магнитное поле в петле СКВИДа (меньший белый квадрат в центре, длина сторон которого составляет около 20 микрометров). Магнитное поле активирует тумблер. Частота и величина микроволн определяют положение переключателя и силу связи между кубитами и резонатором. Фото: Р. Симмондс/НИСТ.

«Цель состоит в том, чтобы кубиты были счастливы, чтобы они могли выполнять вычисления, не отвлекаясь, и в то же время иметь возможность считывать их, когда мы захотим», — сказал Рэй Симмондс, физик NIST и один из авторов статьи. «Эта архитектура устройства помогает защитить кубиты и обещает улучшить нашу способность проводить высокоточные измерения, необходимые для создания квантовых информационных процессоров из кубитов».

The team, which also includes scientists from the University of Massachusetts Lowell, the University of Colorado Boulder, and Raytheon BBN Technologies, describes its results in a paper published recently in the journal Nature PhysicsAs the name implies, Nature Physics is a peer-reviewed, scientific journal covering physics and is published by Nature Research. It was first published in October 2005 and its monthly coverage includes articles, letters, reviews, research highlights, news and views, commentaries, book reviews, and correspondence." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Физика природы.

Квантовые компьютеры, которые все еще находятся на зачаточной стадии разработки, смогут использовать причудливые свойства квантовой механики для выполнения задач, которые даже наши самые мощные классические компьютеры считают невыполнимыми, например, для помощи в разработке новых лекарств путем выполнения сложного моделирования химических взаимодействий. .

Однако разработчики квантовых компьютеров все еще сталкиваются со многими проблемами. Одна из них заключается в том, что квантовые схемы подвержены воздействию внешнего или даже внутреннего шума, который возникает из-за дефектов материалов, используемых для изготовления компьютеров. По сути, этот шум представляет собой случайное поведение, которое может привести к ошибкам в вычислениях кубитов.