Представлена новая концепция квантового процессора

Инженеры из Университета Нового Южного Уэльса UNSW в Австралии изобрели новую структуру для осуществления квантовых вычислений, основанную на новых «триггерных кубитах» (flip-flop qubits), которая должна сделать крупносерийное производство квантовых чипов в разы дешевле и легче, чем это было возможно ранее.

Новый дизайн чипа, представленный детально в журнале Nature Communications, представляет собой кремниевый квантовый процессор, который можно измерить без точной расстановки атомов, необходимой в других подходах. Важно то, что этот способ позволяет квантовым битам (или кубитам) – базовой единице информации квантовых компьютерах – размещаться в сотнях нанометров друг от друга и все равно оставаться связанными.

Эта структура была разработана командой под руководством Андреа Морелло, диспетчера программ из Австралийского научно-исследовательского совета UNSW Центра квантовых вычислений и квантовых технологий CQC2T в Сиднее. Он утверждает, что прототипирование должно быть легче, благодаря достижениям современных технологий.

Гильерм Тоси, научный сотрудник CQC2T, вместе с Морелло и соавторами Фадом Мойядином, Вивьен Шмитт и Стефани Тенберг, а также Раджибом Рахманом и Жерардом Климеком из Университета Пердью в США разработали новаторскую концепцию.

«Это великолепный дизайн, и, как и многие подобные концептуальные скачки, поразительно то, что никто раньше до этого не додумался».

«Гильерм и команда изобрели новый способ отличить «спиновый кубит», использующий оба электрона и ядра атома. Важно, что этот новый кубит можно контролировать с помощью электрических сигналов, а не магнитных. Электрические сигналы значительно легче распределять и направлять внутри электронного чипа».

Тоси говорит, что подобный дизайн обходит трудность в постоянном увеличении плотности кубитов: необходимость разделять их на дистанцию только 10-20 нанометров, или просто на расстояние 50 атомов.

«Если они слишком близки или слишком далеки, «запутанность» между квантовыми битами, которая делает квантовые компьютеры такими особенными, не возникает», говорит Тоси.

По словам Морелло, ученые из UNSW первые в мире вывели спиновые кубиты на новый уровень.

«Но если мы хотим расположить тысячи или миллионы кубитов так близко вместе, это значит, что все цепи управления, контролирующие электронику и выводящие устройства, должны также приспособиться под этот нанометрический масштаб, с необходимой высотой и плотностью электродов. Этот новый концепт предлагает другой путь».

С другой стороны, рассмотрим сверхпроводящие схемы – к которым проявляют интерес, например, IBM и Google – и ионные ловушки. Эти системы большие, их легче изготовить, и на данный момент они являются лидерами по числу оперируемых кубитов. Однако, в связи с их большими размерами, в долгосрочной перспективе они могут столкнуться с трудностями при попытке выполнять операции над кубитами, как это требуется в наиболее эффективных квантовых алгоритмах.

«Новый подход на кремниевой основе – это золотая середина», говорит Морелло, профессор квантовой инженерии в ENSW. «Проще создавать новые, чем преобразовывать атомные устройства, что все равно позволяет помещать миллион кубитов на квадратный миллиметр».

В одноатомном кубите, который использовала команда Морелло и для которого Тоси создал дизайн, кремниевый чип покрыт слоем изоляционного оксида кремния, на вершине которого находится сетка металлических электродов, работающих при температурах, близких к абсолютному нулю и в присутствии очень сильного магнитного поля.

В центре находится атом фосфора, из которого команда Морелло ранее построила два функциональных кубита, используя электрон и ядро атома. Эти кубиты, взятые отдельно, побили мировой рекорд по времени когерентности.

Концептуальным прорывом Тоси является создание совершенно нового типа кубита, использующего и ядро, и электрон. При таком подходе, состояние кубита «0» определяется, когда спин электрона находится внизу, а спин ядра – вверху, а состояние «1» - когда спин электрона вверху, а ядра – внизу. То есть такой квантовый процессор работает в основном за счет искусственной спин-орбитальной связи.

Команда называет это «триггерным» кубитом. Для того, чтобы проводить операции над кубитом, необходимо немного отодвинуть электрон от ядра, используя верхние электроны. С помощью этого можно также создать электрический диполь.

«Это переломный момент», добавляет Морелло.

«Эти электрические диполи взаимодействуют друг с другом на достаточно больших расстояниях, долю микрона или 1000 нанометров.

Это означает, что одноатомный кубит можно поместить намного дальше, чем это было возможно раньше. Так что существует достаточно места для рассеивания ключевых классических компонентов, таких как соединительные провода, управляющие электроды и выводящие устройства, сохраняя точную атомарную природу квантового бита»

Морелло назвал концепт Тоси таким же значительным, как статья Брюса Кане в 1998 году в журнале Nature. Кане, в то время старший научный сотрудник UNSW, придумал новую структуру, за счет чего появилась возможность создать квантовый компьютер на основе кремния, что ускорило австралийскую гонку в строительстве квантового компьютера.

Подобно статье Кане, это только теория, предложение – кубит еще нужно разработать. Существуют некоторые предварительные экспериментальные данные, предполагающие, что все это возможно, так что ведется подготовка к демонстрации этого предположения. Однако это так же призрачно, как и в статье Кане.

Построение квантового компьютера было названо «космической гонкой 21 века» - сложный и амбициозный проект с возможностью передать революционные технологии в попытке сделать невозможные вычисления, с изобилием полезных методов для здравоохранения, защиты, финансов, химии и развития материалов, отработки ПО, авиакосмической промышленности и транспорта. Его скорость и мощность опираются на тот факт, что квантовые системы могут проводить многократные «суперпозиции» различных изначальных состояний, и призрачную «запутанность», которая появляется только на квантовом уровне элементарных частиц.

«Понадобится сложная инженерия для приспособления квантовых компьютеров к коммерческим реалиям, а работа необыкновенной австралийской команды, несомненно, ставит ее на первое место», говорит Марк Хофман.

«То, что UNSW, как один из исследовательских университетов, лидирующих в мире, находится в центре сложной глобальной системы знаний, формирующей наше будущее, является великим примером».

Команда UNSW заключила контракт на A$83 млн между UNSW, телеком-гигантом Telstra, Австралийским Независимым банком и правительством Австралии и Нового Южного Уэльса на развитие к 2022 году 10-кубитного прототипа кремниевой квантовой интегрированной схемы – это первый шаг на пути к созданию первого в мире кремниевого квантового компьютера.

В августе партнеры организовали Silicon Quantum Computing Pty Ltd, первую австралийскую компанию квантовых компьютеров, для продвижения развития и коммерциализации уникальных технологий команды. Правительство NSW выделило A$8.7 млн, UNSW - A$25 млн, Независимый банк - A$14 млн, Telstra - A$10 млн и федеральное правительство - A$25 млн.

Пояснения к изображениям:

Fig. 1.

Донорные спиновые кубиты, присоединенные к электрическом полю через сверхтонкую модуляцию. a Элементарная ячейка кубита, в которой электрон соединяется с состоянием |i>, присоединяется к донорно-связанному состоянию |d>, с туннельной скоростью V_t. Сплошная черная линия показывает профиль зоны проводимости вдоль z. b Блоховская сфера триггерного спина кубита присоединяется к вертикальному электрическому полю E_z через сверхтонкое взаимодействие A. Синглетное и триплетное состояния электрон-ядра отклоняются на S = (|??> - |??>) / ?2 и T_0 = (|??> + |??>) / ?2. c Si:P спиновые уровни электрон-ядра, показывающие взаимодействие стандартного резонанса электронного спина (ESR) и ядерного магнитного резонанса (NMR), а также сверхтонкий EDSR. d Атомное прочно связанное моделирование (точки) электронно-ядерного сверхтонкого взаимодействия, для z_d = 15,2 нм глубокого донорного уровня, как функции вертикального электрического поля. Сплошная линия показывает средство использования упрощенного двухуровневого Гамильтониана H_orb + H_A^orb, который производит V_t = 9,3 Ггц. На вставках изображена волновая функция приземленного электрона, |g>, вне области заштрихованных линий рис. a, для трех разных электрических полей. Одно деление соответствует 10 нм.

Fig. 2.

Устойчивость к электрическому шуму. a Передача частот как вертикального электрического поля E_2 для B_0 = 0,4 T, A = 117 МГц, d = 15 нм, ?_? = -0,2% и V_t = 11,44 ГГц для зарядового ?_0 и триггерного ?_ff кубитов. На вкладке показана диаграммы уровней триггерного состояния, присоединенного к зарядовому состоянию. CT обозначает «передачу времени», а CQSS – за «золотую середину зарядового кубита». b Расчетная дефазовая скорость триггерного кубита, принимая в расчет шум электрического поля E_(Z,rms)^noise = 100 Vm^(-1). c E_z - зависимость триггерной частоты процессии для трех измеренных величин туннельного соединения. d Скорость затухания триггерного кубита со стрелками, указывающими на адиабаты, использованные для выходов z. e Дефазовые скорости триггерных кубитов с учетом шума и релаксации E_z, а также CTs второго порядка для каждого B_0. f Структура устройства с настроенным туннельным соединением V_t зарядового кубита. Одно деление равно 30 нм. g V_t как функция напряжения правого затвора, вычисленная с помощью конечного элемента методом решения Пуассона (синопсис TCAD) атомного усиленного ожидания (NEMO-3D). Вкладки иллюстрируют волновую функцию NEMO-3D внутри заштрихованной области на рис.f, для трех показателей напряжения правого затвора V_r = -1, -0,35 и -0,27 V. Напряжение левого затвора равно V_1= -0,,5 V для всего моделирования, а верхний затвор настроен так, что позиция электрона находится между донором и поверхностью. Одно деление равно 20 нм. Значение донора принимается за z_d = 9,2 нм под поверхностью Si/SiO_2.

Fig. 7.

Квантовый гибридный процессор. a Фигуры характеристик, суммирующих показатели скорости и ошибок других схем затворов, представленных в этой статье, принимая в расчет реальные источники шумов. b Диаграмма уровня кубитов, соединенных через фотонный канал. Удаленные доноры, размещенные у центральной линии резонатора и настроенные на их точку ионизации, попадают под действие электрического поля в условии вакуума E_vac общего микроволнового резонатора. d Схематичное представление крупномасштабного квантового процессора, основанного на (^31)P донорах в Si, управляемые и соединенные посредством использования индуктивного электрического диполя. Идеальные кубиты содержат электроны на поверхности, оставляя ядра (^31)P в сверхкогерентном ионизированном состоянии. Электроны частично отделяются по направлению к донору для квантовых операций. На эскизе показана возможная структура, на которой кластер кубитов местами соединяется через электрический диполь, а затем подгруппа соединяется с другим кластером благодаря взаимодействию с общим микроволновым резонатором (aqua). Масштаб рисунка не выдержан; управляющие линии и выводящие устройства не показаны.

Остальные результаты экспериментов см. в приложении. Оригинал статьи прикреплен к записи.

Источник: phys.org

Комментарии: