Квантовые вычисления накаляются: ученые достигли функции кубита выше 1К

На протяжении десятилетий разработка квантовых вычислений боролась с необходимостью использования чрезвычайно низких температур, всего на доли градуса выше абсолютного нуля (0 Кельвина или –273,15°C).

Это потому, что квантовая Явления, которые наделяют квантовые компьютеры уникальными вычислительными способностями, можно использовать, только изолируя их от тепла знакомого классического мира, в котором мы живем.

Один квантовый бит или «кубит», эквивалент двоичного «нуля». или один бит в основе классических вычислений, для функционирования требуется большой холодильный аппарат. Однако во многих областях, где мы ожидаем, что квантовые компьютеры принесут прорывы, например, в разработке новых материалов или лекарств, нам понадобится большое количество кубитов или даже целые квантовые компьютеры, работающие параллельно.

Квантовые компьютеры, которые могут это сделать. Ожидается, что управление ошибками и самокоррекция, необходимые для надежных вычислений, будут гигантскими по своим масштабам. Такие компании, как Google, IBM и PsiQuantum, готовятся к будущему целых складов, заполненных системами охлаждения и потребляющих огромное количество энергии для работы одного квантового компьютера.

Но если бы квантовые компьютеры могли функционировать даже при немного более высоких температурах , ими могло бы быть гораздо проще управлять – и они могли бы быть гораздо более широко доступными. В новом исследовании, опубликованном в журнале Nature, наша команда показала, что определенный тип кубита — спины отдельных электронов — могут работать при температуре около 1 К, что намного выше, чем в предыдущих примерах.

Холодные, неопровержимые факты h2>

Системы охлаждения становятся менее эффективными при более низких температурах. Что еще хуже, системы, которые мы используем сегодня для управления кубитами, представляют собой переплетение проводов, напоминающее ENIAC и другие огромные компьютеры 1940-х годов. Эти системы увеличивают нагрев и создают физические препятствия для совместной работы кубитов.

Чем больше кубитов мы пытаемся втиснуть, тем сложнее становится проблема. В определенный момент проблема с проводкой становится непреодолимой.

После этого системы управления необходимо встроить в те же чипы, что и кубиты. Однако эта интегрированная электроника потребляет даже больше энергии и рассеивает больше тепла, чем беспорядочная путаница проводов.

Теплый поворот

Наше новое исследование может предложить путь вперед. Мы продемонстрировали, что особый тип кубита – сделанный из квантовой точки, напечатанной металлическими электродами на кремнии, с использованием технологии, очень похожей на ту, которая используется в производстве существующих микрочипов – может работать при температурах около 1К.

Это всего на один градус выше абсолютного нуля, поэтому все еще очень холодно. Однако сейчас значительно теплее, чем считалось ранее. Этот прорыв может объединить разросшуюся холодильную инфраструктуру в более управляемую единую систему. Это радикально снизит эксплуатационные расходы и энергопотребление.

Необходимость в таких технологических достижениях не просто академическая. Ставки высоки в таких областях, как разработка лекарств, где квантовые вычисления обещают революционизировать то, как мы понимаем молекулярные структуры и взаимодействуем с ними.

Затраты на исследования и разработки в этих отраслях, исчисляемые миллиардами долларов, подчеркивают потенциал экономия средств и повышение эффективности за счет более доступных технологий квантовых вычислений.

Медленное сжигание

«Горячие» кубиты открывают новые возможности, но они также создают новые проблемы в исправлении ошибок и контроле. Более высокие температуры вполне могут означать увеличение частоты ошибок измерений, что создаст дополнительные трудности в поддержании работоспособности компьютера.

Разработка квантовых компьютеров еще только начинается. Квантовые компьютеры могут однажды стать такими же повсеместными, как сегодняшние кремниевые чипы, но путь к этому будущему будет полон технических препятствий.

Наш недавний прогресс в работе кубитов при более высоких температурах является ключевым шагом на пути к установлению требований. системы проще.

Это дает надежду, что квантовые вычисления смогут вырваться за пределы специализированных лабораторий в более широкое научное сообщество, промышленность и коммерческие центры обработки данных.

Эндрю Дзурак, профессор Scientia Эндрю Дзурак, генеральный директор и основатель Diraq, UNSW Sydney и Андре Луис Сарайва Де Оливейра, Физик твердого тела, Университет Нового Южного Уэльса, Сидней

Эта статья перепечатана из The Conversation под лицензией Creative Commons. Прочтите оригинал статьи.