Ученые ускорили квантовый компьютер в 200 раз

«Это огромный шаг вперед – можно твердо сказать, что мы умеем управлять природой на самом мельчайшем уровне. Мы не только заставили атомы взаимодействовать друг с другом, но и смогли считать информацию из одного кубита, не затрагивая его соседа. Многие считали, что это в принципе невозможно», — заявила Мишель Симмонс из университета Нового Южного Уэльса в Сиднее (Австралия).

Симмонс и ее коллеги по университету уже несколько лет разрабатывают компоненты, необходимые для сборки полноценного твердотельного квантового компьютера. Так, в 2010 году они создали квантовый одноэлектронный транзистор, а в 2012 году — полноценный кремниевый кубит на основе атома фосфора-31.

В 2013 году они собрали новую версию кубита, которая позволяла почти со 100% точностью считывать данные из него и оставалась стабильной очень долго. В октябре 2015 года австралийские физики сделали первый шаг к созданию первого кремниевого квантового компьютера, объединив два кубита в модуль, выполняющий логическую операцию ИЛИ.

Оставался один шаг – научиться объединять подобные кубиты, используя те же полупроводниковые технологии, что и сами ячейки квантовой памяти. Сделать это было крайне тяжело, так как «обычные» полупроводниковые кубиты могут взаимодействовать друг с другом лишь на небольшом расстоянии.

Решив эту проблему два года назад, австралийские ученые задумались о том, как научиться «печатать» эти ячейки памяти так, как это делают производители электроники при создании микросхем и снизить уровень ошибок при работе с ними до крайне низких уровней. Эту проблему физики из Сиднея решили в апреле этого года, поставив новый мировой рекорд по точности работы одиночных кубитов.

Благодаря всем этим открытия, одним из главных «тормозов» работы и развития квантовых компьютеров, как отмечает Симмонс, стало то, как быстро ученые могли записывать информацию в кубиты и заставлять их проводить вычисления. В результате этого сейчас большая часть времени тратится не на ведение расчетов, а на повторную настройку кубитов, а также запись и чтение данных из них.

Австралийские физики смогли ускорить эти операции примерно в две сотни раз по сравнению с самыми быстрыми классическими кубитами, осуществив простую операцию – они объединили в одном устройстве две квантовые ячейки памяти, расположив два атома фосфора на небольшом расстоянии друг от друга.

Фактические все разработчики подобных машин считали подобный подход изначально проигрышным, так как никто не верил в то, что чтение или запись информации в один атом не будет мешать работе соседнего кубита. По этой причине ученые располагали кубиты на большом расстоянии друг от друга и использовали микроволновое излучение и другие квантовые «шины передачи данных» для обмена информацией между ними.

Симмонс и ее команда доказали, что это не так, подобрав такое расстояние между атомами фосфора и создав такие системы управления состоянием их электронов, которые позволяли кубитам одновременно быстро обмениваться информацией, но при этом не мешать чтению и записи.

Оказалось, что подобными свойствами обладают атомы фосфора, удаленные друг от друга всего на 13 нанометров, что на несколько порядков меньше, чем их раньше располагали коллеги Симмонс из других научных групп. Благодаря этому простейшая логическая операция, квадратный корень SWAP, стала исполняться всего за 0,8 наносекунды, что в сотни раз быстрее прошлых рекордов.

При этом, как отмечает Симмонс, «двойной» кубит обладал очень высокой точностью работы – ошибки в вычислениях появлялись лишь в 1% случаев, что также очень близко к текущим рекордам для кубитов любых типов. По мнению физика, этот показатель можно будет улучшить еще примерно в 10 раз при улучшении качества производства ячеек памяти.

В ближайшие несколько лет физики из Австралии попытаются создать первую квантовую полупроводниковую вычислительную машину на базе десяти подобных кубитов. Благодаря тому, что любую логическую команду можно реализовать на базе нескольких операций SWAP, она сможет решать фактически любую задачу, доступную для современных компьютеров.

Источник