Недавно исследовательская группа под руководством Ивэнь Чу, физика из Федерального технологического института в Цюрихе (ETH Zurich), разработала новый квантовый чип, который успешно хранит информацию внутри чипа в виде крошечных вибраций (то есть пакетов вибрационной энергии, переносимых фононами). Принцип его действия в некоторой степени аналогичен резонирующим нотам на гитаре. Ожидается, что этот прорыв произведет революцию в построении будущих квантовых компьютеров.
Размеры этого экспериментального чипа составляют примерно 7,5 мм в длину, 2,5 мм в ширину и 1 мм в толщину, что примерно равно ширине человеческого ногтя на мизинце. Хотя эти движения происходят внутри высокочастотных микроскопических механических резонаторов и не могут быть услышаны человеческим ухом, исследовательская группа успешно продемонстрировала новую архитектуру квантового компьютера, подключив эти крошечные резонаторы в качестве рабочей памяти к сверхпроводящему квантовому процессору, который концептуально ближе к базовой структуре, обычно используемой в современных классических компьютерах.
В подавляющем большинстве существующих квантовых систем вычисления и хранение четко не разделены, а обработка и хранение информации часто тесно интегрированы в одном и том же оборудовании, что затрудняет масштабирование машины без добавления громоздких компонентов. Напротив, исследовательская группа ETH Zurich использовала классическую модель традиционных вычислений, в которой центральный процессор (ЦП) отвечает за вычисления, а оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) отвечает за временное хранение данных. В этой новой квантовой рабочей памяти информация хранится не обычным электромагнитным способом, а в виде механических вибраций.
В реальной работе сверхпроводящие кубиты действуют как процессоры и блоки управления, а механические резонаторы сохраняют квантовую информацию во время вычислений. Всякий раз, когда процессору требуется конкретная информация, сверхпроводящий кубит взаимодействует с выбранным режимом вибрации, изменяя его квантовое состояние перед помещением его обратно в память. Такое разделение труда использует сильные стороны обеих технологий: сверхпроводящие кубиты способны выполнять быстрые операции и обеспечивать нелинейное поведение, необходимое для квантовой логики, а механические резонаторы компактны, поддерживают несколько независимых режимов вибрации и поддерживают квантовые состояния в течение более длительных периодов времени.
Чтобы протестировать эту программируемую квантовую архитектуру, исследователи успешно реализовали две основные вычислительные процедуры: квантовое преобразование Фурье и алгоритм определения периода. Оба теста требуют, чтобы система подготавливала, хранила, соединяла и точно манипулировала несколькими квантовыми состояниями, одновременно передавая информацию между процессором и различными режимами механического хранения без нарушения когерентности. Результаты экспериментов показывают, что система способна выполнять управляемые фазовые операции и объединять сохраненные состояния в доступной памяти.
Хотя это исследование все еще находится на стадии проверки концепции и еще не привело к созданию коммерческого устройства, которое могло бы превзойти традиционные компьютеры, оно успешно доказало внешнему миру, что память на основе вибрации может полностью функционировать в качестве практического вычислительного ресурса. Исследовательская группа отметила, что основная задача в будущем заключается в масштабируемости, то есть значительном увеличении емкости хранилища и вычислительной мощности при сохранении низкого уровня ошибок и достижении надежного управления большими квантовыми состояниями. Результаты исследования были официально опубликованы в журнале Science.