„Silicio pagrindu sukurta kvantinio skaičiavimo platforma atitiko pagrindinius klaidų mažinimo standartus – tai yra pagrindas kvantiniams įrenginiams, kuriems gali būti naudingos nusistovėjusios puslaidininkinių mikroschemų technologijos.
Kvantiniai bitai (kubitai), kurie naudoja silicio prietaisuose esančių elektronų kvantines savybes, suteikia didžiulį potencialą, kuriant kompaktiškus ir tvirtus kvantinius kompiuterius, kurie išnaudotų esamos silicio mikroschemų pramonės pranašumus. Tačiau kvantinėse operacijose gali būti klaidų, o pasiekti, kad klaidų lygis būtų pakankamai mažas, kad kvantinio silicio prietaisai būtų įmanomi, tebėra iššūkis. Trys straipsniai, kuriuos pateikė Xue ir kt.1, Noiri ir kt.2 ir Mądzik ir kt.3, pateikia kubito operacijų demonstravimą silicio įrenginiuose, kurių tikslumas viršija vieno iš populiariausių kvantinių klaidų taisymo kodų slenkstį. Rezultatai rodo, kad šie įrenginiai galėtų būti konkurencinga keičiamo dydžio kvantinės informacijos apdorojimo platforma.
Pagrindinė bet kurio kvantinio kompiuterio idėja yra ta, kad kvantinė kubitų prigimtis leidžia jiems būti būsenoje, kuri yra ne tik „1“ arba „0“, o tam tikra kombinacija, žinoma, kaip superpozicija. Tai reiškia, kad du kubitai gali būti „01“, „10“, „11“ ir „00“ superpozicijoje, o tai suteikia dar daugiau galimybių.
Šis gebėjimas gali būti naudojamas paspartinti tam tikrus skaičiavimus, kurie yra per sudėtingi, kad klasikinis kompiuteris galėtų atlikti per protingą laiką. Tai apima Shor algoritmą, strategiją, skirtą didelio skaičiaus faktorinavimui, kuris gali pakenkti esamoms interneto saugumo šifravimo schemoms, ir kitus algoritmus, kurie galėtų būti naudojami medžiagų moksle ir vaistų kūrime.
Pastangos sukurti didelį, veikiantį kvantinį kompiuterį yra itin ambicingas technologinis darbas. Šiuo metu plačiausiai naudojami kubitai yra pagaminti iš superlaidžių grandinių, kurias savo kvantiniuose procesoriuose naudoja technologijų įmonės, tokios, kaip IBM ir Google. Su šiomis sistemomis buvo pasiekta svarbių demonstracijų, įskaitant principo įrodymo chemijos modeliavimą, kurį atliko IBM. „Google“ kvantinių skaičiavimų tyrėjai pranešė, kad vienam iš jų superlaidžių kubitų įrenginių skaičiavimui atlikti prireikė maždaug 200 sekundžių, kuriems, jų teigimu, klasikiniam superkompiuteriui prireiks 10 000 metų.
Tačiau superlaidūs kubitai yra gana dideli, todėl sunku sutalpinti daug jų į vieną lustą, esantį vienoje aušinimo sistemoje, ir pritaikyti didesniems įrenginiams.
Kita problema, bendra visiems kubitams, yra ta, kad jie gali išlikti tam tikroje būsenų superpozicijoje tik ribotą laiką, vadinamą koherencijos laiku. Šis apribojimas įveda klaidų skaičiavimuose, atliekamuose, naudojant kubitus, ir paskatino kurti klaidų taisymo protokolus, skirtus šioms klaidoms sumažinti, įgyvendinant kvantinius algoritmus, naudojant daugiau kubitų, nei reikia skaičiavimams. Dėl to daugelis fizinių kubitų sugrupuojami į mažiau loginių kubitų, todėl atsiranda perteklius, o tai gali būti naudojama kvantinėms klaidoms taisyti.
Kompaktiška superlaidaus kubito alternatyva taip pat turi ilgą koherentiškumo laiką: elektronų sukimosi kubitas pagrįstas elektrono magnetinio momento (arba sukimosi) kvantine prigimtimi. Šie kubitai turi būti suformuoti, naudojant mechanizmą, kuris izoliuoja atskirus elektronus nuo jų aplinkos, tuo pačiu užtikrinant, kad jie būtų prieinami ir vis tiek gali būti valdomi naudojant elektromagnetinius laukus. Dažniausias būdas tai padaryti yra, naudojant kvantinius taškus, kurie yra maži spąstai, susidarantys dviejų puslaidininkinių medžiagų sąsajoje. Keli kvantiniai taškai gali būti sukurti, naudojant metalinius laidus, kad būtų sukurti atskiri spąstai, kurių kiekvienas gali priimti vieną elektroną.
Silicis yra patraukli medžiaga, su kuria galima sukurti sukimosi kubitus. Taip yra daugiausia todėl, kad jis gali būti išvalytas izotopiškai, o tai reiškia, kad didžioji dauguma jo atomų neturės grynojo sukimosi, susieto su jų branduoliais. Jei atomai turėtų nulinį branduolinį sukimąsi, šis sukinys sąveikautų su kubitais ir prarastų kvantinę informaciją. Be to, silicis yra medžiaga, naudojama kasdienio kompiuterių grandinėms, todėl silicio pagrindu pagaminti kvantiniai kompiuteriai turi daug naudos iš esamos nanoelektronikos infrastruktūros, kuri yra labai sudėtinga. Tai paaiškina, kodėl vienos iš pirmaujančių lustų gamybos įmonių „Intel“ kvantinio skaičiavimo tyrimų programa sutelkė dėmesį į šią platformą.
Norint įgyvendinti kvantinius algoritmus, reikia vieno kubito valdymo ir dviejų kubitų sąveikos, kad būtų galima realizuoti tiek vieno, tiek dviejų kubitų loginius vartus. Šie vartai yra bet kurio kvantinio algoritmo sudedamosios dalys – panašios į loginius vartus, naudojamus klasikiniame skaičiavime. Jie gali būti pagaminti, naudojant magnetinius laukus, su kuriais sukiniai sąveikauja natūraliai. Tačiau šios magnetinės sąveikos yra silpnos. Priešingai, elektriniai laukai siūlo greitesnį valdymą, sujungdami sukinį su elektrono judėjimu, ir gali būti naudojami arba abiejų tipų vartai.
Dviejų kubitų vartuose du elektronai suartinami – pakankamai arti, kad jų kvantinės-mechaninės bangos funkcijos sutampa, o tai gali būti laikoma elektronų erdviniu dydžiu. Šis sutapimas sukelia veiksmingą vieno sukimosi ir kito sukimosi sąveiką, kurią atidžiai kontroliuojant, kubitai „susipainioja“, o tai reiškia, kad jie turi bendrą būseną ir nebegali būti apibūdinti atskirai. Vieno kubito būsenos pokyčiai priklauso nuo kito kubito būsenos. Tikslumas, kuriuo atliekamos šios sąlyginės operacijos, matuojamas dydžiu, vadinamu tikslumu, kuris turi atitikti minimalų slenkstį, kad kvantinės klaidų taisymo strategijos būtų veiksmingos. Xue ir kt. ir Noiri ir kt. atitiko šį etapą eksperimentuose, naudojant elektronų sukimosi kubitus izotopiškai praturtintuose silicio kvantinių taškų matricose.
Mądzik ir kt. padarė panašią pažangą kurdamas skirtingą silicio sukimosi kubitą, pagamintą iš fosforo atomo branduolinio sukimosi, kuris silicio grotelėje buvo pakeistas silicio atomu. Šiuo atveju, kaip išteklius gali būti panaudotas vieno atomo branduolinis sukinys. Branduoliniai sukimai turi labai ilgą koherentiškumo laiką, todėl jie yra patrauklūs sukinio kubito kandidatams, tačiau metodų, skatinančių sąveiką tarp branduolinių sukimų, kad būtų galima atlikti tikslias operacijas, buvo nedaug. Mądzikas ir jo kolegos panaudojo elektroną, kad tarpininkautų dviejų branduolinių sukinių sąveikai, ir sukūrė didelio tikslumo dviejų kubitų supainiojančius vartus, kurie padidino branduolinio sukinio kubito operacijų tikslumą iki kvantinės klaidos korekcijos slenksčio.
Visų trijų grupių rezultatai priartina siliciu pagrįstą kvantinės informacijos apdorojimą, kad būtų galima pasiūlyti perspektyvią kvantinio skaičiavimo platformą – tokią būseną iki šiol turėjo tik kelios kitos sistemos, įskaitant superlaidžius kubitus ir įstrigusius jonus. Tačiau vis dar reikia įveikti iššūkius, jei norime, kad grupių įrenginiai taptų naudingi. Pagrindinė problema yra ta, kad padidinus sistemos dydį, net vienu kubitu, bus neigiamos įtakos daugeliui kubitų kalibravimo, palyginimo ir pasiekto tikslumo. Todėl kitas šios sistemos eksperimentinis etapas būtų sukurti didesnį kvantinių taškų masyvą, kuriame būtų dviejų kubitų vartai, kurių tikslumas būtų toks pat didelis, kaip parodė Xue ir kt. ir Noiri ir kt., nepaisant to, kad yra daugiau kubitų. Tolesnis tokios sistemos proveržis būtų kvantinės klaidų taisymo demonstravimas.
Tam tikru momentu kubitų įtraukimas į masyvą padarys daugiau žalos nei naudos. Taip yra todėl, kad bus per sunku kalibruoti ir valdyti didelę sistemą su kelių kubitų sąveika. Vietoj to galėtų būti sukurta modulinė architektūra, pagrįsta rezonatoriais, ty mikrostruktūromis, naudojančiomis šviesą, kad sureguliuotų sukimus iki tam tikrų „rezonansinių“ dažnių. Jau buvo įrodyta, kad rezonatoriai gali sujungti du kvantinių taškų sukimus ir gali būti naudojami tinkle sujungtų kvantinių taškų masyvams kurti. Išsami informacija apie tai, kokio dydžio šie moduliai turi būti ir kaip jie būtų sujungti, yra atvira problema tiek teoriniu, tiek eksperimentiniu požiūriu." [1]
1. Nature 601, 320-322 (2022)
Komentarų nėra:
Rašyti komentarą