Ещё больше технологий кубитов: новые варианты квантовых точек, вакансии в алмазной отрасли.

Компании стремятся обеспечить нам избыток вариантов для создания кубитов.

В HRL используется контроллер, который хранится в той же системе охлаждения, что и кубиты, и они соединены сверхпроводящим ленточным кабелем. (Фото: HRL Laboratories )

Если достаточно долго следить за новостями в области квантовых вычислений, может показаться, что любая квантовая система, способная переключаться между двумя четко разделенными энергетическими состояниями, может использоваться в качестве кубита. Атомы, ионы, фотоны, электроны и промышленные устройства — у всех есть свои сторонники. Один из ключевых факторов, привлекающих инвесторов, — это масштабируемость технологии. Нам потребуется много высококачественных кубитов, чтобы начать выполнять сложные вычисления, и способность любой технологии достичь этой цели является предметом дискуссий.

Таким образом, хотя некоторые технологии теперь могут поддерживать тысячи кубитов, некоторые конкуренты все еще работают над небольшим количеством кубитов — компании, стоящие за ними, убеждены, что у них есть потенциал для более эффективного масштабирования.

Одна из таких технологий связана с квантовыми точками, удерживающими один электрон. Их преимущество заключается в том, что мы можем производить их, используя ту же технологию, что и для создания традиционных процессоров, — подход, который доказал свою масштабируемость. На этой неделе появились две новые статьи, описывающие различные способы использования квантовых точек, один из которых оказался настолько привлекательным, что IBM приобрела компанию, разработавшую его. Отдельно другая компания выпустила процессор, демонстрирующий 100 отдельных электронов, удерживаемых в дефектах алмаза, — технология, которая, как оказалось, не обладала очевидной возможностью масштабирования.

Переворачивание вращений

Первая новость поступила из публикации в журнале Nature от компании HRL Laboratories, преемницы исследовательской программы, запущенной Говардом Хьюзом. HRL использует искусственно созданные квантовые точки — технологию, отличающуюся от точек, используемых в дисплеях, хотя и основанную на некоторых тех же физических принципах. Оба подхода используют структуру, которая захватывает электроны в области меньше длины волны электрона. В дисплеях это позволяет контролировать длину волны излучения материала.

В случае кубитов ловушки гораздо меньше и служат для удержания одного электрона на месте. Важно отметить, что их можно изготовить; при правильной проводке электромагнитные взаимодействия могут захватить один электрон в небольшом участке кремния. После захвата спин электрона, который может быть направлен вверх, вниз или представлять собой суперпозицию этих двух значений, может быть использован в качестве кубита. Хотя эта технология легко масштабируется — мы очень хорошо умеем внедрять проводку в кремний в больших масштабах — спины электронов трудно поддерживать стабильными, и обычно их управляют с помощью микроволн, что требует отдельной системы управления.

Но «обычно» не означает «всегда», и HRL описывает другую технологию. Она требует наличия трех отдельных квантовых точек, каждая из которых содержит электрон, а окружающая электроника контролирует степень взаимодействия спинов этих трех электронов. Это критически важно, поскольку при определенных условиях два электрона не могут иметь одинаковый спин. Это объясняет, почему атомные орбитали заполняются именно так, причем каждый энергетический уровень содержит только пару электронов: один со спином вверх, другой — со спином вниз. Возможность их взаимодействия может изменить их спины.

Для выполнения операций с таким типом кубита достаточно контролировать, какие электроны взаимодействуют и в какой степени. Это контролируется электронным способом, что позволяет полностью исключить использование микроволн. Все управляется проводкой, что исключает необходимость в большом количестве кабелей, передающих микроволновое излучение в систему охлаждения, которая поддерживает оборудование в состоянии, близком к абсолютному нулю.

В статье HRL подробно описывается система управления, которая находится на промежуточном уровне охлаждения и состоит из традиционного процессора, оптимизированного для работы при низких температурах и низком энергопотреблении, потребляющего менее 3,5 Вт, несмотря на то, что он изготовлен по 130-нм техпроцессу. Инструкции для управления кубитами компилируются в другом месте, затем загружаются в контроллер, после чего он работает автономно. Связь с чипом, содержащим кубиты, осуществляется с помощью сверхпроводящего ленточного кабеля.

Система, описанная HRL, имела 18 кубитов, и компания запустила на ней простой код коррекции ошибок, продемонстрировав частоту логических ошибок менее 1 процента. Это значительно ниже показателей, достигнутых с помощью других технологий, но это важное подтверждение того, что проблемы, с которыми сталкивается HRL, скорее всего, относятся к области инженерии, а не физики.

Гибридные машины

Хотя статья была опубликована HRL, достигнутые в ней успехи впоследствии стали собственностью IBM. Это примечательно, поскольку IBM сделала большую ставку на конкурирующую технологию, в которой кубиты хранятся в изготовленном устройстве, называемом трансмоном, и управляются микроволновыми импульсами — именно той системой управления, которую HRL пыталась избежать. На первый взгляд, это не кажется очевидным решением, поэтому мы спросили директора по исследованиям IBM Джея Гамбетту о причинах такого решения.

«В целом, я твердо верю в кремниевые технологии — сверхпроводящие кубиты создаются на кремнии, спины создаются на кремнии», — сказал Гамбетта изданию Ars. «Это дает нам гибкость, позволяя параллельно развивать обе части, опираясь на одну и ту же основу». Сейчас эта основа позволяет быстро итерировать и тестировать проекты. IBM обычно выпускает новую архитектуру процессора каждый год, совершенствуя ее в течение двух или трех поколений, прежде чем появится следующее.

Однако Гамбетта предположил, что в долгосрочной перспективе это повышает вероятность появления технологии HRL в системах IBM, работающих параллельно с существующими технологиями IBM. «Когда мы рассматриваем коды коррекции ошибок в будущем, некоторые коды лучше подходят для запоминания, а другие — для создания «магических» состояний», — сказал Гамбетта. «Я хочу иметь возможность создавать оборудование, которое максимально эффективно использует оба подхода».

Другие технологии вращения

В том же номере журнала Nature опубликована отдельная статья о кубитах на основе квантовых точек от группы исследователей из Делфтского технологического университета. Мы рассказывали об их технологии в мае, но если вкратце, то она описывает кубиты, основанные на отдельных электронах в квантовых точках, и фокусируется на перемещении электронов и их спинов.

Одна из проблем квантовых точек и других искусственно созданных кубитов заключается в том, что их соединения определяются проводкой микросхемы, на которой они установлены. Поскольку коды коррекции ошибок основаны на геометрии соединений между кубитами, это означает, что при производстве микросхемы необходимо использовать один или небольшое количество кодов коррекции ошибок. Если будет разработан более совершенный код или если некоторые операции будет проще выполнять с помощью другого кода, то до появления следующего поколения микросхем вам не повезет.

Кубиты, основанные на захваченных ионах или нейтральных атомах, не имеют этого ограничения. Кубиты можно перемещать, так что любой из них гипотетически может быть соединен с любым другим. Это обеспечивает большую алгоритмическую гибкость и эффективность; их разработчики считают, что этого достаточно, чтобы преодолеть относительно медленную работу по сравнению с кремниевыми кубитами.

Однако в мае команда из Делфта показала, что отдельный спин можно переместить из одной квантовой точки в соседнюю, незанятую, и что этот подход масштабируем — спин можно переместить через несколько промежуточных точек и в итоге он окажется на противоположной стороне чипа от того места, где он начал движение. Теоретически это означает, что любые два спина можно произвольно перемещать, сближать и запутывать. Этот подход сочетает в себе преимущества производства с гибкостью систем на основе атомов.

В опубликованной в среду статье эта идея развивается, и создаётся «шина», по которой можно перемещать электроны, с рядом остановок, где их можно хранить, когда они не нужны. Для этого нам потребуется гораздо больше оборудования, но это оборудование очень компактно, а его гибкость может быть очень эффективной.

Команда описывает маршрут длиной 1,2 микрометра и утверждает, что точность передачи спина от одного конца к другому и обратно составляет почти 98 процентов. Используя небольшое количество спинов, исследователи реализовали небольшой код коррекции ошибок. Они также охарактеризовали источники ошибок в своей системе, обнаружив, что большая их часть обусловлена двумя причинами: шумом, возникающим во время обмена спинами, необходимого для запутанности, и потерей когерентности во время перемещения или простоя кубитов, что является распространенной проблемой для спиновых кубитов.

Алмазы — лучшие друзья кубита?

Отдельная технология, которая оставалась практически незамеченной после того, как мы изучили её десять лет назад, — это вакансии азота в алмазах. Алмаз представляет собой упорядоченную структуру из атомов углерода, каждый из которых связан с соседним атомом. Однако в этой структуре могут быть рассеяны примеси, включая атомы азота. Азот может образовывать на одну связь меньше, чем углерод, поэтому у соседнего атома углерода остаётся один несвязанный электрон. Спин этого электрона можно изменять так же, как и спин электрона в квантовой точке.

Проблема заключается в том, что очень сложно контролировать расположение азотных вакансий внутри алмаза. Хотя прокладка проводов к ним после их обнаружения относительно проста, каждый чип, предназначенный для работы с азотными вакансиями, является уникальным; при использовании стандартной компоновки чипа нет гарантии, что там, где ожидается прокладка проводов, будет только одна азотная вакансия. Компания Saxon Q, созданная на базе Лейпцигского университета, по-видимому, разработала технологию, позволяющую размещать азотные вакансии в радиусе 10 нанометров.

Оборудование компании поражает несколькими особенностями, прежде всего тем, что работает при комнатной температуре. Создаваемые ею машины помещаются в стандартную стойку и подключаются непосредственно к обычному источнику питания. Другая примечательная особенность — модульная конструкция; компания создает «ядро» с восемью кубитами и может интегрировать несколько ядер в одну стойку. На прошлой неделе компания объявила о начале продаж устройств с общим количеством более 100 кубитов, поставки которых, как ожидается, начнутся в течение нескольких месяцев. Более крупные системы ожидаются в следующем году.

Оба варианта будут слишком малы для выполнения интересных вычислений с коррекцией ошибок. Но компания Saxon Q утверждает, что точность работы отдельных аппаратных кубитов составляет более 99,9%, что делает эту технологию конкурентоспособной по сравнению с другими на рынке. Таким образом, мы снова возвращаемся к исходной точке: ключевой вопрос по-прежнему заключается в том, можно ли масштабировать эту технологию.

Источник: arstechnica.com