Квантовые компьютеры способны решать чрезвычайно сложные задачи, открывая новые возможности в таких областях, как разработка лекарств, шифрование, искусственный интеллект и логистика. Теперь исследователи из Технологического университета Чалмерса в Швеции разработали высокоэффективный усилитель, который активируется только при чтении информации с кубитов. Исследование было опубликовано в журнале IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques.
Благодаря продуманной конструкции он потребляет всего одну десятую часть мощности, которую потребляют лучшие усилители, доступные сегодня. Это снижает декогеренцию кубитов и закладывает основу для создания более мощных квантовых компьютеров со значительно большим количеством кубитов и улучшенной производительностью.
Биты и кубиты: в чём разница?
Биты, которые являются строительными блоками обычного компьютера, могут иметь только значение 1 или 0. В отличие от них, квантовые биты, или кубиты, могут существовать в состояниях, имеющих значение 1 и 0 одновременно, а также во всех промежуточных состояниях в любой комбинации.
Это означает, что 20-кубитный квантовый компьютер может одновременно представлять более миллиона различных состояний. Это явление, называемое суперпозицией, является одной из ключевых причин, по которой квантовые компьютеры могут решать исключительно сложные задачи, которые не под силу современным обычным суперкомпьютерам.
Чтение квантовой информации
Чтобы использовать вычислительную мощность квантового компьютера, кубиты необходимо измерить и преобразовать в интерпретируемую информацию. Для этого требуются чрезвычайно чувствительные микроволновые усилители, чтобы гарантировать точное обнаружение и считывание этих слабых сигналов.
Однако считывание квантовой информации — чрезвычайно деликатный процесс: даже малейшее колебание температуры, шум или электромагнитные помехи могут привести к потере целостности кубитов, их квантового состояния, что делает информацию непригодной для использования. Поскольку усилители генерируют тепло, они также вызывают декогеренцию.
Исследователи в этой области всегда ищут более эффективные усилители для кубитов. Теперь учёные из Чалмерса сделали важный шаг вперёд с их новым высокоэффективным усилителем.
«Это самый чувствительный усилитель, который можно создать сегодня с помощью транзисторов. Нам удалось сократить его энергопотребление до одной десятой части того, что требуется лучшим современным усилителям, без ущерба для производительности. Мы надеемся и верим, что этот прорыв позволит более точно считывать кубиты в будущем», — говорит Инь Цзэн, докторант по технологии терагерцевого и миллиметрового диапазона в Чалмерсе и первый автор исследования.
Этот прогресс может иметь большое значение для масштабирования квантовых компьютеров и размещения на них значительно большего количества кубитов, чем сегодня. Технологический университет Чалмерса активно участвует в этой области в рамках национальной исследовательской программы — Центра квантовых технологий Валленберга.
Преимущества нового усилителя
В отличие от других малошумящих усилителей, новый усилитель, разработанный исследователями Чалмерса, работает в импульсном режиме, то есть активируется только тогда, когда это необходимо для усиления кубитов, а не всегда включён.
«Это первая демонстрация малошумящих полупроводниковых усилителей для квантового считывания в импульсном режиме, который не влияет на производительность и при этом значительно снижает энергопотребление по сравнению с современным уровнем техники», — говорит Ян Грэн, профессор микроволновой электроники в Чалмерсе и научный руководитель Инь Цзэна.
Для проверки своего подхода они также разработали новую методику измерения шума и усиления импульсно-работающего малошумящего микроволнового усилителя.
«Мы использовали генетическое программирование, чтобы обеспечить интеллектуальное управление усилителем. В результате он реагировал гораздо быстрее на входящий импульс кубита — всего за 35 наносекунд», — говорит Инь Цзэн.
Предоставлено Технологическим университетом Чалмерса.