Квантовые компьютеры, работающие на основе эффектов квантовой механики, могут решать некоторые вычислительные и оптимизационные задачи, которые не под силу классическим компьютерам. В отличие от битов — основных единиц информации в классических компьютерах, квантовые компьютеры используют так называемые кубиты.
Кубиты — квантовый эквивалент битов — не ограничены двоичными состояниями (0 или 1), а могут существовать в суперпозиции этих состояний. Одним из распространённых типов кубитов, используемых для изготовления квантовых процессоров, являются так называемые полупроводниковые квантовые точки.
Квантовые точки — это небольшие электрически ограниченные области, которые могут улавливать отдельные носители заряда. Для управления этими кубитами большинство квантовых инженеров в настоящее время используют высокочастотные электрические сигналы, а не низкочастотные сигналы основной полосы частот.
Однако использование высокочастотных сигналов приводит к нежелательным эффектам интерференции в крошечных спиновых кубитах (перекрёстные помехи), которые могут вызывать влияние сигналов в одном проводе или схеме на другой находящийся поблизости, а также генерировать значительное количество тепла. Вследствие этого масштабирование квантовых процессоров становится сложной задачей.
Исследователи из QuTech и Делфтского технологического университета недавно представили новый тип кубита, который может упростить будущее масштабирование квантовых процессоров. Этот новый кубит, представленный в статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters, основан на индивидуальных спинах дырок, которые ограничены в полупроводниковых наноструктурах и могут управляться с помощью электрических сигналов основной полосы частот.
«Целью нашего исследования было сделать аппаратное обеспечение квантовых вычислений более простым и практичным с инженерной точки зрения», — рассказал Phys.org Максимилиан Римбах-Русс, первый автор статьи.
«Наша идея „проста“: если классические транзисторы произвели революцию в вычислениях благодаря своей простоте использования и масштабируемости, можем ли мы найти аналогичный уровень простоты для квантовых вычислений? Конечно, квантовые биты сложнее традиционных битов, но, по сути, мы нашли решение, переработав свойства наших кубитов в соответствии с новыми потребностями».
Новый тип кубита, представленный Римбахом-Руссом и его коллегами, получивший название GS2, был разработан для максимально простого управления. Конструкция команды основана на одной частице, ограниченной в полупроводниковой наноструктуре. Кубит кодируется во вращении (угловом моменте) этой ограниченной частицы.
«В большинстве устройств со спиновыми кубитами до сих пор разные спиновые состояния кубита имеют энергетическую разницу, которая заставляет их непрерывно „вращаться“», — пояснил Римбах-Русс.
«Для этого требуются быстрые синхронизированные управляющие сигналы, чтобы отслеживать это движение, подобно попытке поймать движущуюся цель. Наша конструкция устраняет эту сложность. Спроектировав свойства кубита так, чтобы его два состояния были почти идентичны по энергии, мы фактически „замораживаем“ движение, когда операция не выполняется. Это означает, что кубит остаётся совершенно неподвижным, пока мы не применим управляющий импульс».
Замораживая движение кубита, подход исследователей значительно упрощает аппаратное обеспечение, необходимое для работы квантовых процессоров. Это связано с тем, что точное время начала управляющего импульса становится неактуальным. Операции с кубитами тогда просто задаются отклонением от этого условия с помощью короткого электрического импульса.
Наиболее заметным преимуществом односпиновых кубитов, предложенных этой исследовательской группой, является простота их управления.
«Простых и коротких электрических импульсов достаточно для универсального управления квантовым процессором, состоящим из таких кубитов», — сказал Римбах-Русс.
«Нет необходимости в сложных микроволновых сигналах и часах, которые отслеживают время. В то же время наш кубит можно управлять гораздо быстрее, чем в традиционных реализациях. С точки зрения масштабирования это идеальные стартовые условия для создания полупроводникового квантового процессора, что особенно интересно».
Примечательно, что конструкция команды основана на полупроводниках. Таким образом, процессоры, основанные на новых кубитах, могут быть легко изготовлены с использованием существующих процессов и оборудования для производства электроники. Римбах-Русс и его коллеги из QuTech сейчас пытаются разработать полномасштабный квантовый процессор на основе архитектуры кубитов, которую они представили.
«Хотя на бумаге это звучит просто, предстоит преодолеть множество проблем», — добавил Римбах-Русс.
«Наиболее сложной является преодоление вариативности базовых устройств, повсеместно присутствующей в полупроводниковых материалах. Моя команда и я постоянно разрабатываем и совершенствуем конструкции и методы работы, в то время как наши коллеги улучшают качество материалов и устройств. И поскольку наши кубиты ещё не продемонстрированы экспериментально, мы с нетерпением ждём возможности увидеть их реализацию нашими экспериментальными коллегами».
© 2025 Science X Network