По мотивам Инженерного подкаста кратко описали принципы и особенности квантовых компьютеров на холодных ионах, а также рассказали о том, где можно получить образование по этому направлению. Публикуем самое интересное!
Как работает?
В ионном квантовом компьютере в роли кубита выступает двухуровневая система из внутренних состояний ионов. Среди множества орбиталей выбираются те, которые обеспечат достаточно длительное время жизни перехода между ними. Помимо этого переход должен подходить по характеристикам лазерному излучению. С помощью него и происходит взаимодействие с ионом: индуцирование переходов из одного состояния в другое.
Далее необходимо зафиксировать этот ион в пространстве, чтобы приступить к его изучению. Для этого используют ловушки Пауля, они создают область стабильности, при попадании в нее лазерным излучением происходит воздействие на ион. Чтобы ионы не реагировали с окружающей средой, всю конструкцию помещают в вакуумную камеру. В качестве "считывателя" сигналов (флуоресценции ионов) в нее также устанавливают соответствующую оптику, фотодетекторы. Таким образом, мы получаем аналог процессора.
Каковы размеры?
Саму ловушку в портфель вполне себе можно положить, а вот с компьютером сложнее. Когда только зарождались обычные классические вычисления процессоры выглядели массивно и обслуживало их большое количество специалистов. Вычислительный кластер занимал комнаты. Сейчас квантовый компьютер находится в похожем состоянии с точки зрения технологии. Он большой и располагается в лаборатории площадью 70 квадратных метров. Основная задача разработок — это фундаментально добиться создания универсального квантового компьютера и в дальнейшем планирование масштабирования таких машин. Когда мы ответим на эти вопросы, на первый план выйдет технология: уменьшение размеров, улучшение характеристик.
В чем преимущество?
Во-первых, у этой системы самые высокие точностные характеристики как для однокубитных, так и для двухкубитных операций.
Во-вторых, простота кубитных связей. Для работы системы важно понимать, как кубиты связаны между собой внутри процессора. Благодаря простой природе ионного квантового компьютера все кубиты в нём связаны друг с другом через кристаллическую структуру. Ионы расположены на определённом расстоянии и удерживаются вместе благодаря силам кулоновского отталкивания, что значительно упрощает описание связи всех кубитов.
В-третьих, технологичность платформы и возможность масштабирования ловушки. Часть инфраструктуры квантового компьютера можно разместить на чипе. Например, оптическую систему, которая направляет пучок лазерного излучения в ион, размещают на чипе через волноводы. Также считывание можно организовать не с помощью объектива и специальной камеры, а с помощью однофотонных детекторов, которые также можно разместить на чипе. Если мы сможем решить проблемы с адресацией ионов и их обнаружением, не потребуются дополнительные окна, а объём составит всего пять квадратных сантиметров без окон. Это значительно упростит вакуумную систему и сделает квантовый процессор компактным, буквально умещающимся на ладони.
А где научиться?
Образовательная программа "Квантовый инжиниринг" является одним из основных путей, чтобы стать специалистом в области квантовых технологий. Она готовит специалистов, способных решать как фундаментальные, так и инженерные задачи, связанные с разработкой квантового компьютера. Студенты изучают принципы работы квантовых компьютеров, организацию исследований и методы решения проблем, а также получают необходимые для работы знания в лазерных технологиях, криогенике и микропроизводстве электроники.
Среди компаний, активно участвующих в создании квантового компьютера, стоит отметить Российский квантовый центр (РКЦ). В настоящее время в центре активно строится лаборатория, где уже функционирует квантовый процессор на основе холодных ионов кальция. В российском квантовом центре собран достаточно большой набор совместных компетенций с разными ВУЗами: МИФИ, МФТИ, МИСиС, «ЛЭТИ». Благодаря ним формируется пул квантовых технологов, которые занимаются созданием квантового компьютера.
Росатом, как ответственная организация, отвечает за реализацию дорожной карты по созданию квантового компьютера, в которой определен общий план действий для всех участников. Это важно, так как помимо фундаментальных и инженерных задач, существуют задачи по управлению и финансовой поддержке, которые решают специалисты Росатома и РКЦ.
Читайте другие статьи, по этой теме. Подписывайтесь, чтобы не пропустить продолжение! Следите за нами в Телеграмме, ВКонтакте, на официальном сайте.
#инженерный_подкаст #все_ответы_в_науке_МИФИ #десятилетиенауки #МинобрнаукиРоссии #популяризациянауки