Аннотация:
Хотя квантовые компьютеры уже давно обладают потрясающим вычислительным потенциалом, они всегда сталкивались с проблемами хранения информации. Теперь исследовательская группа из Швейцарского федерального технологического института в Цюрихе (ETH Zurich) предложила новую архитектуру квантовых вычислений, которая хранит информацию, вызывая механические вибрации в микроструктурах, значительно уменьшая размер квантовой памяти и, как ожидается, заложит основу для будущих программируемых универсальных квантовых компьютеров.
Новый квантовый чип, разработанный исследовательской группой, использует крошечный компонент, называемый «механическим резонатором». Когда системе необходимо сохранить квантовую информацию, эти структуры начинают вибрировать на чрезвычайно высоких частотах, и информация сохраняется в этих колебательных состояниях. Весь чип имеет длину около 7,5 мм, ширину 2,5 мм и высоту 1 мм и размером всего с небольшой ноготь.
Система работает аналогично гитаре, — говорит руководитель проекта Ивен Чу, квантовый физик из ETH Zurich. Гитарные струны вибрируют, воспроизводя музыкальные ноты, а новые квантовые чипы используют микроскопические механические вибрации, выходящие далеко за пределы человеческого слуха, для сохранения и обработки квантовой информации. Однако эти вибрации — не звуки, а носитель квантового состояния.
В настоящее время распространенные сверхпроводящие квантовые компьютеры обычно имеют высокоинтегрированную конструкцию, в которой кубиты отвечают как за вычислительные задачи, так и за хранение информации. Хотя этот метод имеет простую структуру, время, в течение которого кубиты хранят информацию, относительно невелико, и данные легко теряются при выполнении сложных и длительных операций. Чтобы решить эту проблему, существующие системы обычно подключают дополнительные электромагнитные резонаторы, которые будут использоваться в качестве памяти. Эти резонаторы способны временно сохранять квантовые состояния, позволяя кубитам пересчитывать их при необходимости. Однако эти структуры часто основаны на микроволновых резонансных полостях, а длины волн микроволновых волн часто находятся в сантиметровом диапазоне, поэтому размеры соответствующих компонентов также велики.
Для квантовых компьютеров, которые должны работать при температурах, близких к абсолютному нулю, космос является чрезвычайно ценным ресурсом. Всю систему необходимо поместить в большое криогенное охлаждающее устройство, а громоздкий модуль электромагнитной памяти существенно ограничит возможности расширения системы. Команда ETH Zurich выбрала совершенно другой подход.
Они хранят квантовую информацию не в электромагнитных волнах в виде фотонов, а в механических колебаниях, называемых «фононами». Поскольку скорость распространения звуковых волн в твердых телах значительно ниже скорости света, соответствующие им длины волн также сильно укорачиваются. Это означает, что в одном пространстве можно разместить больше единиц хранения информации. Исследовательская группа заявила, что эта новая архитектура впервые четко разграничивает обязанности квантового процессора и квантовой рабочей памяти, подобно взаимоотношениям между процессором и оперативной памятью в современных цифровых компьютерах. Сверхпроводящие кубиты отвечают за расчеты и управление, а механические резонаторы служат рабочей памятью и сохраняют временные данные во время операций.
Исследователи полагают, что такая конструкция не только повышает плотность хранения, но и повышает эффективность организации системы. Поскольку квантовая обработка и квантовое хранилище перераспределены, каждый компонент может сосредоточиться на задачах, с которыми он справляется лучше всего, тем самым повышая общую производительность.
В ходе эксперимента команда успешно использовала эту архитектуру для выполнения основных квантовых логических операций и более сложных задач квантовых вычислений, а также проверила осуществимость этой конструкции в реальных системах. Исследователи считают, что это знаменует собой важный шаг на пути к по-настоящему программируемым системам в архитектуре квантовых вычислений.
Чу Ивэнь сказал, что эффективное сотрудничество между квантовыми процессорами и квантовой памятью является важной основой для того, чтобы будущие квантовые компьютеры могли решать проблемы, с которыми традиционные компьютеры не могут справиться. Она считает, что только создав архитектуру с четким разделением труда, аналогичную архитектуре современных компьютеров, квантовые компьютеры смогут достичь более масштабного развития.
В настоящее время это достижение все еще находится на стадии экспериментальных исследований и до коммерческих квантовых компьютеров еще далеко. Однако инсайдеры отрасли полагают, что по мере того, как масштабы квантового оборудования продолжают расширяться, то, как эффективно хранить и вызывать квантовую информацию, станет важным фактором в определении будущих возможностей квантовых вычислений. Эта новая идея использования механической вибрации для создания квантовой памяти может стать ключевым техническим путем для следующего поколения платформ квантовых вычислений.
Комментарии