Исследователи из Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн добились прорыва в квантовых вычислениях, разработав модульную архитектуру, которая позволяет соединять сверхпроводящие квантовые процессоры как строительные блоки, потенциально преодолевая основные барьеры масштабирования, которые ограничивали развитие квантовых компьютеров. Команда продемонстрировала приблизительно 99% точность в квантовых логических операциях между отдельными устройствами, соединенными сверхпроводящими коаксиальными кабелями
Опубликованное в Nature Electronics исследование решает фундаментальную проблему квантовых вычислений: построение крупномасштабных систем с миллионами кубитов при сохранении точности, необходимой для квантовых операций. Традиционные монолитные квантовые компьютеры, построенные как единые большие блоки, сталкиваются с значительными ограничениями по размеру и производительности, что делает модульные подходы все более привлекательными для данной области
Удобная для разработчиков модульность
Вольфганг Пфафф, доцент физики в Университете Иллинойса и старший автор исследования, описал инновацию как "удобный для инженеров способ достижения модульности с использованием сверхпроводящих кубитов". Система позволяет исследователям создавать, тестировать и соединять отдельные квантовые модули, обеспечивая гибкость для реконфигурации систем и выявления проблем перед полной сборкой.
"Могу ли я построить систему, которую я смогу объединить, позволив мне совместно манипулировать двумя кубитами для создания запутанности или операций логических вентилей между ними? Можем ли мы делать это с очень высоким качеством?" - пояснил Пфафф. "Обычно мы узнаем о том, что что-то пошло не так, только после сборки. Поэтому мы действительно хотели бы иметь возможность реконфигурировать систему позже".
Команда достигла своих результатов, соединив два квантовых устройства сверхпроводящими коаксиальными кабелями, продемонстрировав операции SWAP-вентилей с потерями менее 1%. Этот уровень производительности соперничает с системами, где компоненты постоянно скреплены вместе, согласно исследованию, опубликованному на arXiv.
Другие исследовательские группы достигли аналогичных успехов в модульных квантовых системах. Команда Южного университета науки и технологий ранее продемонстрировала 99% точность передачи квантового состояния между модулями и создала запутанные состояния на множественных квантовых чипах. Между тем, исследователи Чикагского университета разработали другой модульный подход, используя перенастраиваемые маршрутизаторы для соединения кубитов.
Вызовы масштабирования впереди
Несмотря на многообещающие результаты, значительные проблемы остаются в масштабировании модульных квантовых систем. Пфафф признал, что следующий этап включает подключение более двух устройств при сохранении возможностей обнаружения и исправления ошибок. Текущее аппаратное обеспечение соединителей команды влияет на когерентность кубитов, хотя улучшения потенциально могут достичь неточностей гейтов, приближающихся к одной части из тысячи.
"Поиск подходящего подхода занял некоторое время для нашей области," отметил Пфафф. "Многие группы выяснили, что мы действительно хотим получить эту способность соединять все большие и большие вещи через кабели, и в то же время достигать чисел, которые достаточно хороши, чтобы оправдать масштабирование".
Исследование представляет шаг к квантовым компьютерам, способным решать практические проблемы, недоступные классическим компьютерам, при этом модульность предлагает путь к миллионам кубитов, необходимых для применения в открытии лекарств, материаловедении и криптографии.
Команда Калтеха хранит квантовые данные в виде звуковых волн
Исследователи Калтеха достигли прорыва в квантовых вычислениях, разработав гибридную систему памяти, которая хранит квантовую информацию в виде звуковых волн, потенциально увеличивая время хранения квантовых состояний в 30 раз по сравнению с существующими сверхпроводящими технологиями.
Опубликованное в Nature Physics исследование, возглавляемое Мохаммадом Мирхоссейни, доцентом кафедры электротехники и прикладной физики в Калтехе, демонстрирует, как квантовая информация может быть преобразована из электрических сигналов в механические вибрации с использованием фононов — квантового эквивалента частиц звука. Работа решает одну из самых постоянных проблем квантовых вычислений: поддержание деликатных квантовых состояний достаточно долго для практических вычислений.
Революционный подход к хранению данных
Команда Калтеха изготовила сверхпроводящий кубит на чипе и соединила его с наномеханическим осциллятором, напоминающим миниатюрный камертон. Это устройство, состоящее из гибких пластин, колеблющихся на гигагерцовых частотах, может взаимодействовать с электрическими сигналами, несущими квантовую информацию, при подаче заряженных пластин. Система позволяет квантовым данным быть "направленными" для хранения и "запомненными" позже — по сути создавая банк квантовой памяти.
Механический осциллятор демонстрирует замечательную долговечность, с временем жизни приблизительно 25 миллисекунд на частоте 5 ГГц и факторами качества, достигающими 0,8×10⁹. По словам Мирхоссейни, "эти осцилляторы имеют время жизни примерно в 30 раз дольше, чем лучшие сверхпроводящие кубиты". Исследование достигло большой кооперативности со значениями приблизительно 1,5×10⁵ для передачи энергии и 150 для когерентности, что позволило генерировать неклассические квантовые состояния.
Аспиранты Алким Бозкурт и Омид Голами возглавили экспериментальную работу, при дополнительном вкладе бывшего приглашенного студента бакалавриата Юэ Ю и постдокторского исследователя Хао Тьяна. Команда использовала свойства низких акустических потерь кремния и инженерию фононных запрещенных зон для достижения беспрецедентных показателей производительности.
Технические преимущества и применения
Данный акустический подход предлагает несколько преимуществ по сравнению с квантовой памятью на основе электромагнитных волн. Звуковые волны распространяются значительно медленнее электромагнитных волн, что позволяет создавать более компактные конструкции устройств. Кроме того, механические колебания не распространяются в свободном пространстве, предотвращая утечку энергии и снижая нежелательные взаимодействия между соседними квантовыми устройствами.
Исследование основывается на предыдущей работе Мирхоссейни, демонстрирующей, что фононы могут хранить квантовую информацию в классических экспериментах. В отличие от пьезоэлектрических материалов, которые имеют тенденцию вызывать потерю энергии — «большой убийца в квантовом мире», по словам Мирхоссейни — новый метод не зависит от материала и совместим с установленными квантовыми системами на основе микроволн.
Результаты исследования предполагают, что множественные механические осцилляторы могут быть интегрированы на отдельные чипы, обеспечивая потенциально масштабируемый путь для систем квантовой памяти. Такие разработки могут оказаться решающими для квантовых ретрансляторов и крупномасштабных квантовых сетей, где надежное хранение информации является существенным.
Вызовы будущего развития
Несмотря на многообещающие результаты, значительная работа остается до практической реализации. Мирхоссейни отмечает, что достижение действительно полезных приложений квантовых вычислений требует увеличения скорости взаимодействия между электрическими и акустическими системами в 3-10 раз по сравнению с текущими возможностями. Однако исследовательская группа определила потенциальные решения для этих проблем усовершенствования
Исследование представляет собой значительный шаг к преодолению пробелов в квантовом хранении данных, предлагая компактную, долговечную альтернативу современным подходам со сверхпроводящими кубитами. При поддержке Управления научных исследований ВВС и Национального научного фонда, это исследование позиционирует акустические квантовые запоминающие устройства как жизнеспособные компоненты для будущих архитектур квантовых вычислений.
Работа демонстрирует, как междисциплинарные подходы — сочетающие электротехнику, прикладную физику и механические системы — продолжают продвигать квантовые вычисления к практической реализации, по одной акустической волне за раз.