Ключевые выводы
- Создание практических квантовых компьютеров может зависеть от поиска лучших способов использования сверхпроводящих материалов, не имеющих электрического сопротивления.
- Исследователи из Окриджской национальной лаборатории открыли метод обнаружения связанных электронов с предельной точностью.
- Сверхпроводящие квантовые компьютеры в настоящее время превосходят конкурирующие технологии с точки зрения размера процессора.
Практические квантовые компьютеры вскоре могут появиться и иметь серьезные последствия для всего, от открытия лекарств до взлома кодов.
Сделав шаг к созданию более совершенных квантовых машин, исследователи из Окриджской национальной лаборатории недавно измерили электрический ток между атомарно острым металлическим наконечником и сверхпроводником. Этот новый метод может найти связанные электроны с чрезвычайной точностью, что может помочь обнаружить новые виды сверхпроводников, которые не имеют электрического сопротивления.
«Сверхпроводящие схемы в настоящее время являются лидерами для создания квантовых битов (кубитов) и квантовых вентилей в оборудовании», - сказал Lifewire Тоби Кубитт, директор Phasecraft, компании, которая создает алгоритмы для квантовых приложений. интервью. «Сверхпроводящие кубиты - это твердотельные электрические цепи, которые можно проектировать с высокой точностью и гибкостью».
Жуткое действие
Квантовые компьютеры используют тот факт, что электроны могут перепрыгивать из одной системы в другую через пространство, используя таинственные свойства квантовой физики. Если электрон соединяется с другим электроном прямо в точке, где встречаются металл и сверхпроводник, может образоваться так называемая куперовская пара. Сверхпроводник также испускает в металл частицы другого типа, известные как андреевские отражения. Исследователи искали эти андреевские отражения, чтобы обнаружить куперовские пары.
Университет Аалто / Хосе Ладо
Ученые из Ок-Риджа измерили электрический ток между атомарно острым металлическим наконечником и сверхпроводником. Этот подход позволяет им определить величину андреевского отражения, возвращающегося в сверхпроводник.
"Эта методика устанавливает критически важную новую методологию для понимания внутренней квантовой структуры экзотических типов сверхпроводников, известных как нетрадиционные сверхпроводники, потенциально позволяя нам решать множество открытых проблем в квантовых материалах", - Хосе Ладо, доцент Университет Аалто, который оказал теоретическую поддержку исследованию, говорится в пресс-релизе.
Игорь Захаров, старший научный сотрудник Лаборатории квантовой обработки информации Сколтеха в Москве, сообщил Lifewire по электронной почте, что сверхпроводник - это состояние вещества, в котором электроны не теряют энергию, рассеиваясь на ядрах при проведении электрический ток, а электрический ток может течь неустанно.
«В то время как электроны или ядра имеют квантовые состояния, которые можно использовать для вычислений, сверхпроводящий ток ведет себя как макроквантовая единица с квантовыми свойствами», - добавил он. «Поэтому мы восстанавливаем ситуацию, в которой макросостояние материи может использоваться для организации обработки информации, в то время как оно обладает явно квантовыми эффектами, которые могут дать ему вычислительное преимущество».
Одна из самых больших проблем в квантовых вычислениях сегодня связана с тем, как мы можем заставить сверхпроводники работать еще лучше.
Сверхпроводящее будущее
Сверхпроводящие квантовые компьютеры в настоящее время превосходят конкурирующие технологии с точки зрения размера процессора, сказал Кубитт. Google продемонстрировал так называемое «квантовое превосходство» на сверхпроводящем устройстве с 53 кубитами в 2019 году. IBM недавно выпустила квантовый компьютер со 127 сверхпроводящими кубитами, а Rigetti анонсировала сверхпроводящий чип с 80 кубитами.
«У всех компаний, производящих квантовое оборудование, есть амбициозные планы по масштабированию своих компьютеров в ближайшем будущем», - добавил Кубитт. «Это было обусловлено рядом технических достижений, которые позволили разработать более сложные конструкции кубитов и оптимизировать их. Самой большой проблемой для этой конкретной технологии является улучшение качества вентилей, т. е. повышение точности, с которой процессор может манипулировать информацией и выполнять вычисления."
Улучшенные сверхпроводники могут стать ключом к созданию практических квантовых компьютеров. Майкл Биркук, генеральный директор компании Q-CTRL, занимающейся квантовыми вычислениями, сказал в интервью по электронной почте, что в большинстве современных систем квантовых вычислений используются сплавы ниобия и алюминия, в которых сверхпроводимость была обнаружена в 1950-х и 1960-х годах.
«Одна из самых больших проблем в квантовых вычислениях сегодня связана с тем, как мы можем заставить сверхпроводники работать еще лучше», - добавил Биркук. «Например, примеси в химическом составе или структуре осаждаемых металлов могут стать источниками шума и снижения производительности квантовых компьютеров - это приводит к процессам, известным как декогеренция, при которых «квантовость» системы теряется».
Квантовые вычисления требуют тонкого баланса между качеством кубита и количеством кубитов, пояснил Захаров. Каждый раз, когда кубит взаимодействует с окружающей средой, например, получает сигналы для «программирования», он может терять свое запутанное состояние.
"Хотя мы видим небольшие успехи в каждом из указанных технологических направлений, объединить их в хорошее работающее устройство по-прежнему трудно", - добавил он.
«Святой Грааль» квантовых вычислений - это устройство с сотнями кубитов и низким уровнем ошибок. Ученые не могут договориться о том, как они достигнут этой цели, но один из возможных ответов - использование сверхпроводников.
«Растущее число кубитов в кремниевых сверхпроводящих устройствах подчеркивает потребность в гигантских охлаждающих машинах, которые могут поддерживать большие рабочие объемы при температуре, близкой к температуре абсолютного нуля», - сказал Захаров.
