Принципы работы квантовых компьютеров
В то время как обычные компьютеры хранят информацию в виде битов, которые могут принимать значение 0 или 1, квантовые компьютеры основаны на кубитах. Они могут находиться в состоянии, которое одновременно является и 0, и 1. Это свойство, известное как суперпозиция, лежит в основе потенциала квантовых вычислений для решения задач, которые недоступны для классических компьютеров.
Существующие квантовые компьютеры
Многие существующие квантовые компьютеры основаны на сверхпроводящих электронных системах, в которых электроны текут без сопротивления при экстремально низких температурах. В этих системах квантово-механическая природа электронов, проходящих через тщательно разработанные резонаторы, создаёт сверхпроводящие кубиты.
Проблема хранения квантовой информации
Хотя кубиты отлично подходят для быстрого выполнения логических операций, необходимых для вычислений, хранение информации — в данном случае квантовых состояний, математических описаний определённых квантовых систем — не является их сильной стороной. Квантовые инженеры искали способ увеличить время хранения квантовых состояний, создавая так называемые «квантовые памяти» для сверхпроводящих кубитов.
Новый подход к квантовым воспоминаниям
Команда учёных из Калифорнийского технологического института (Caltech) использовала гибридный подход для квантовых воспоминаний, эффективно переводя электрическую информацию в звук. Это позволило квантовым состояниям из сверхпроводящих кубитов сохраняться в памяти в 30 раз дольше, чем при использовании других методов.
Работа под руководством аспирантов Caltech Алькима Бозкурта и Омида Голами, под руководством Мохаммада Мирхоссейни, доцента кафедры электротехники и прикладной физики, опубликована в журнале Nature Physics.
«Когда у вас есть квантовое состояние, вы можете не захотеть сразу что-то с ним делать, — говорит Мирхоссейни. — Вам нужен способ вернуться к нему, когда вы захотите выполнить логическую операцию. Для этого нужна квантовая память».
Предыдущие исследования
Ранее группа Мирхоссейни показала, что звук, а именно фононы — отдельные частицы вибрации (подобно тому, как фотоны являются отдельными частицами света), могут обеспечить удобный метод хранения квантовой информации.
Устройства, которые они тестировали в классических экспериментах, казались идеальными для работы со сверхпроводящими кубитами, поскольку работали на тех же чрезвычайно высоких гигагерцовых частотах (люди слышат на частотах герц и килогерц, которые как минимум в миллион раз медленнее). Они также хорошо работали при низких температурах, необходимых для сохранения квантовых состояний со сверхпроводящими кубитами, и имели длительный срок службы.
Создание квантового кубита на чипе
Теперь Мирхоссейни и его коллеги создали сверхпроводящий кубит на чипе и подключили его к крошечному устройству, которое учёные называют механическим осциллятором. По сути, это миниатюрный камертон, состоящий из гибких пластин, которые вибрируют под действием звуковых волн на гигагерцовых частотах. Когда на эти пластины подаётся электрический заряд, они могут взаимодействовать с электрическими сигналами, несущими квантовую информацию. Это позволяет передавать информацию в устройство для хранения в качестве «памяти» и извлекать её позже.
Исследователи тщательно измерили, сколько времени требуется осциллятору, чтобы потерять своё ценное квантовое содержимое после того, как информация поступила в устройство. «Оказывается, у этих осцилляторов срок службы примерно в 30 раз больше, чем у лучших сверхпроводящих кубитов, — говорит Мирхоссейни.
Этот метод создания квантовой памяти имеет ряд преимуществ перед предыдущими стратегиями. Звуковые волны распространяются гораздо медленнее, чем электромагнитные волны, что позволяет создавать более компактные устройства. Кроме того, механические колебания, в отличие от электромагнитных волн, не распространяются в свободном пространстве, что означает, что энергия не утекает из системы.
Это позволяет увеличить время хранения и уменьшить нежелательный обмен энергией между соседними устройствами. Эти преимущества указывают на возможность включения множества таких камертонов в один чип, что обеспечит потенциально масштабируемый способ создания квантовых памятей.
Мирхоссейни говорит, что эта работа продемонстрировала минимальное количество взаимодействия между электромагнитными и звуковыми волнами, необходимое для изучения ценности этой гибридной системы для использования в качестве элемента памяти.
«Чтобы эта платформа была действительно полезна для квантовых вычислений, вам нужно иметь возможность вводить квантовые данные в систему и извлекать их гораздо быстрее. И это означает, что мы должны найти способы увеличения скорости взаимодействия в три-десять раз по сравнению с тем, что способна наша текущая система», — говорит Мирхоссейни. К счастью, у его группы есть идеи о том, как это можно сделать.
Предоставлено California Institute of Technology.