Три резонатори, що працюють на різних частотах, зчитують матрицю 3×3 квантових точок. Авторство: © Harald Homulle 2022 EPFL
Інженери EPFL розробили метод для зчитування кількох кубітів – найменшої одиниці квантових даних – одночасно. Їхній метод відкриває шлях до нового покоління ще більш потужних квантових комп’ютерів.
«Наразі у IBM і Google є найпотужніші в світі квантові комп’ютери», – каже професор Едоардо Чарбон, керівник Лабораторії передової квантової архітектури (AQUA Lab) у Школі інженерії EPFL. «IBM щойно представила 127-кубітну машину, тоді як у Google 53 кубіти». Проте можливості для створення квантових комп’ютерів ще швидше обмежені через верхню межу кількості кубітів. Але команда інженерів на чолі з Шарбоном у співпраці з дослідниками у Великобританії щойно розробила багатообіцяючий метод подолання цього технологічного бар’єру. Їх підхід може ефективніше читати кубіти, тобто більше з них можна запакувати в квантові процесори. Їхні висновки з’являються в Природна електроніка.
Біохімія та криптографія
Квантові комп’ютери працюють не так, як комп’ютери, до яких ми звикли. Замість того, щоб мати окремий процесор і чіп пам’яті, вони об’єднані в один блок, відомий як кубіт. Ці комп’ютери використовують квантові властивості, такі як суперпозиція та заплутаність, для виконання складних обчислень, які звичайні комп’ютери ніколи не можуть зробити за розумні проміжки часу. Потенційні застосування квантових комп’ютерів включають біохімію, криптографію тощо. Машини, які сьогодні використовують дослідницькі групи, мають близько десятка кубітів.
«Наше завдання зараз полягає в тому, щоб підключити більше кубітів у квантові процесори – ми говоримо про сотні, навіть тисячі – щоб підвищити обчислювальну потужність комп’ютерів», – каже Чарбон.
Кількість кубітів наразі обмежена тим фактом, що ще немає технології, яка могла б швидко зчитувати всі кубіти. «Ще більше ускладнює ситуацію, кубіти працюють при температурах, близьких до абсолютний нуль, або –273,15оC», – каже Шарбон. «Це ще важче читати й контролювати їх. Інженери зазвичай використовують машини при кімнатній температурі та контролюють кожен кубіт окремо».
«Це справжній прорив»
Андреа Руффіно, аспірант лабораторії Шарбона, розробив метод, що дозволяє читати дев’ять кубітів одночасно й ефективно. Більше того, його підхід можна було б масштабувати до більших матриць кубітів. «Наш метод заснований на використанні часових і частотних областей», — пояснює він. «Основна ідея полягає в тому, щоб зменшити кількість з’єднань, якщо три кубіти працюють з одним зв’язком».
EPFL не має квантового комп’ютера, але це не зупинило Руффіно. Він знайшов спосіб емулювати кубіти та проводити експерименти майже в тих же умовах, що й у квантовому комп’ютері. «Я включив квантові точки, які є напівпровідниковими частинками нанометрового розміру, у транзистор. Це дало мені те, що працює так само, як і кубіти», – каже Руффіно.
Він перший аспірант у лабораторії AQUA, який вивчав цю тему для своєї дисертації. «Андреа показав, що його метод працює з інтегральними схемами на звичайних комп’ютерних чіпах і при температурах, що наближаються до кубітових», – каже Шарбон. «Це справжній прорив, який може привести до систем великих кубітних матриць, інтегрованих з необхідною електронікою. Два типи технологій можуть працювати разом просто, ефективно та відтворюваним чином».
Довідка: «Кріо-CMOS-чіп, який об’єднує кремнієві квантові точки та мультиплексовану дисперсійну електроніку» Андреа Руффіно, Цунг-Йе Янг, Джон Міхневіч, Ятао Пен, Едоардо Чарбон та Мігель Фернандо Гонсалес-Зальба, 27 грудня, 20 грудня Природна електроніка.
DOI: 10.1038/s41928-021-00687-6
