Квантовые компьютеры способны решать чрезвычайно сложные задачи, открывая новые возможности в таких областях, как разработка лекарств, шифрование, искусственный интеллект и логистика.
Исследователи из Технологического университета Чалмерса в Швеции разработали высокоэффективный усилитель, который активируется только при считывании информации с кубитов. Исследование опубликовано в журнале IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques.
Благодаря продуманной конструкции усилитель потребляет всего одну десятую часть мощности, которую потребляют лучшие доступные сегодня усилители. 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, строительные блоки 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, недоступные современным обычным суперкомпьютерам.
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.
В результате исследователи в этой области постоянно ищут более эффективные усилители для кубитов. Теперь учёные из Чалмерса сделали важный шаг вперёд, представив новый высокоэффективный усилитель.
«Это самый чувствительный усилитель, который можно создать сегодня с помощью транзисторов. Нам удалось снизить его энергопотребление до одной десятой части того, что требуется лучшим современным усилителям, не жертвуя при этом производительностью. Мы надеемся и верим, что этот прорыв позволит более точно считывать кубиты в будущем», — говорит Инь Цзэн, докторант по терагерцевой и миллиметровой волновой технологии в Чалмерсе и первый автор исследования.
Новый подход к масштабированию квантовых компьютеров
Этот прогресс может иметь большое значение для масштабирования квантовых компьютеров, чтобы разместить значительно больше кубитов, чем сегодня. Технологический университет Чалмерса активно участвует в этой области в рамках национальной исследовательской программы — Центра квантовых технологий Валленберга.
С увеличением количества кубитов растёт вычислительная мощность компьютера и его способность обрабатывать сложные вычисления. Однако более крупные квантовые системы также требуют больше усилителей, что приводит к увеличению общего энергопотребления, что может привести к декогеренции кубитов.
«Это исследование предлагает решение для будущего масштабирования квантовых компьютеров, где тепло, выделяемое этими усилителями для кубитов, является основным ограничивающим фактором», — говорит Ян Грэн, профессор микроволновой электроники в Чалмерсе и научный руководитель Инь Цзэна.
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, которая не влияет на производительность и при этом значительно снижает энергопотребление по сравнению с текущим уровнем техники», — говорит Ян Грэн.
Чтобы подтвердить свой подход, команда разработала новую методику измерения шума и усиления импульсно-работающего малошумящего микроволнового усилителя.
«Мы использовали генетическое программирование для интеллектуального управления усилителем. В результате он отреагировал на входящий импульс кубита гораздо быстрее, всего за 35 наносекунд», — говорит Инь Цзэн.