Квантовый чип

источник: РИА Новости
Физики создали первый квантовый чип с «вечной» памятью


МОСКВА, 13 июн — РИА Новости. Физики из Голландии создали первый «алмазный» квантовый процессор, ячейки памяти которого обновляются быстрее, чем исчезают квантовые связи между ними, говорится в статье, опубликованной в журнале Nature.

https://retina.news.mail.ru/pic/b8/e...466537a6ea.jpg


«Эти опыты показывают, что мы все ближе подходим к созданию реальных квантовых сетей и квантовых вычислительных устройств. Конечно, частоту подобных обновлений содержимого кубитов нужно увеличить еще примерно в 100 раз, чтобы такие вычислительные системы стали полезными на практике, однако достичь этого вполне реально», — комментирует открытие Жульен Лора (Julien Laurat), физик из Сорбонны в Париже (Франция).

Кубиты представляют собой одновременно и ячейки памяти, и вычислительные модули квантового компьютера, которые могут одновременно хранить в себе и логический ноль, и единицу благодаря законам квантовой физики.

Объединение нескольких кубитов в единую вычислительную систему позволяет очень быстро решать математические или физические задачи, поиск ответа на которые при помощи методик перебора заняло бы время, сопоставимое со сроками жизни Вселенной.

Как рассказывал РИА «Новости» Алексей Устинов, один из ведущих ученых Российского квантового центра, физики быстро научились изготовлять одиночные кубиты, способные жить достаточно долго для ведения вычислений. С другой стороны, попытки объединить несколько кубитов сталкиваются сегодня с большими трудностями из-за того, что записать и считать данные из них не так просто, как изначально казалось.

Одна из главных проблем, как рассказывает Рональд Хэнсон (Ronald Hanson), физик из университета Дельфта (Нидерландов) — связи между кубитами «живут» гораздо меньше времени, чем ученые тратят на их установление.

По этой причине квантовый компьютер не может работать постоянно, периодически обновляя содержимое кубитов и связи между ними, как это делают ячейки оперативной памяти обычных вычислительных машин



Хэнсон и его команда смогли решить эту проблему, используя набирающие популярность кубиты на базе миниатюрных синтетических алмазов и особый алгоритм «запутывания» этих ячеек памяти квантового компьютера.

«Сердцем» такого вычислительного модуля служит дефект — атом азота или другого элемента, «затесавшийся» в толщу атомов углерода. Подобные дефекты ученые называют «вакансиями», или NV-центрами, так как добавление атома азота в алмаз создает в его кристаллической решетке особое пустое место с необычными свойствами. В этой точке атом углерода отсутствует, но при этом она обладает всеми свойствами атома, который бы находился в этой точке в «замороженном» состоянии.

Благодаря этому алмазные кубиты, как рассказывает Хэнсон, изначально обладают очень длинными сроками жизни по сравнению с другими ячейками памяти.

Голландским ученым удалось еще продлить им жизнь, защитив дефекты от всех источников помех, и создать набор методику, позволявшую им «запутывать» электроны в NV-центрах по 40 раз за секунду, заставляя их обмениваться одиночными частицами света.

Вкупе с очень долгими сроками жизни кубита — около 300−500 миллисекунд, эта технология позволяет непрерывно обновлять их содержимое по 10 раз в секунду и фактически делает их «вечными». Теперь ученые могут считывать содержимое ячейки памяти, перенося ее в другой кубит, обновлять ее и затем заново записывать считанные данные с 100% шансом на успех.

Это превращает нашу квантовую сеть в аналог обычного интернета — у нас всегда есть «носители информации» и любые узлы в ней могут обмениваться данными в любой момент времени. Вместе с нашими партнерами из телекоммуникационных компаний, мы планируем соединить сразу четыре города в Нидерландах при помощи квантовой запутанности. Они станут первыми узлами квантового интернета в 2020 году.



Рональд Хэнсон (Ronald Hanson)
Физик из университета Дельфта (Нидерландов)

​Квантовое устройство смогло выполнить 2,6 млрд лет вычислений за 4 минуты

Высокая производительностьФизикаКвантовые технологии



https://habrastorage.org/webt/kp/mc/...otkba6vspg.png

Исследователи продемонстрировали систему выборки гауссовских бозонов, работа которой основана на «светоделителях». Светоделители принимают входящий поток фотонов от лазерного луча и разделяют его на два потока, движущихся в разных направлениях. По сути, система
представляет собой линейный оптический квантовый компьютер из сети светоделителей.

Светоделитель, расположенный под углом 45 градусов, можно рассматривать как четырехпортовое устройство. Если два идентичных фотона падают на один и тот же светоделитель из двух разных портов, то оба будут выходить из одного и того же порта. Пути фотонов становятся запутанными. Если построить достаточно большую сеть светоделителей, то возникают разветвленные запутанные состояния. Количество выходных состояний быстро масштабируется с количеством входов и светоделителей.

https://habrastorage.org/webt/_8/ha/...vpnri7ghqe.png

В текущей демонстрации исследователи использовали 50 входов и чип с эквивалентом 300 светоделителей. Общее количество возможных выходных состояний составляет около 10³⁰.

Менее чем за четыре минуты исследователи получили результаты, для расчета которых быстрому классическому компьютеру потребуется около 2,5 миллиардов лет.

За этим последовали тщательные тесты, чтобы убедиться, что поведение системы действительно квантовое. Если рассчитать, что произойдет с конкретными входными состояниями, и сравнить выходные состояния с результатами этих вычислений, то результаты измерения совпадают с прогнозами. Также можно вычислить выходную мощность сети, если свет не находится в квантовом состоянии или если фотоны не идентичны, и эти измерения не соответствуют прогнозам. Это убедительно доказывает, что результат обусловлен квантовыми эффектами.

Один лазер излучает 25 лучей одинаковой интенсивности, каждый из которых связан с двумя кристаллами, и кристаллы генерируют одиночные фотоны. Кристаллы связаны с оптическими волокнами, выходы которых соединены с микросхемой, где размещены светоделители. Выходы оптоволокон необходимо совместить с фотодетекторами. Вся установка занимает площадь около 1,5 x 2,5 м, она должна быть стабилизирована с высокой точностью (около 10 нм).

На данный момент квантовые компьютеры состоят из цепочки ионов. Ионы расположены достаточно далеко друг от друга, чтобы к ним можно было обращаться по отдельности, а это означает, что информация (в форме квантовых битов или кубитов) может храниться и считываться с отдельных атомов. Вычислительные операции могут выполняться с использованием микроволн и движения ионов. Еще один вариант архитектуры квантовых компьютеров представляет собой сверхпроводящие кольца, охлаждаемые жидким гелием.

Каждое кольцо — это кубит, который связан с другими посредством проводов. Преимущество этого подхода в том, что оборудование относительно легко масштабировать. Но квантовое поведение каждого кубита нарушить гораздо проще.

В отличие от обоих этих вариантов, оптический квантовый компьютер может быть устройством в масштабе микросхемы, которое питается от массива лазерных диодов, со считыванием данных с помощью серии однофотонных детекторов. Ни для одного из них не требуются сверхнизкие температуры или вакуум (если требуются детекторы счета фотонов, то можно обойтись жидким азотом). Для оптических квантовых вычислений потребуется температурная стабильность и довольно сложная система обратной связи, чтобы лазеры работали точно так, как требуется.