Исследователи из Нидерландов предложили нестандартную квантовую архитектуру, которую можно реализовать сравнительно легко уже сегодня, не говоря о перспективах. Они объединили два метода создания кубитов: на основе спинов электронов в полупроводниках и на нейтральных атомах с ионными ловушками. Самое удивительное, что для этого они сформировали массивы квантовых точек, которые ранее никак не были связаны с кубитами.
Источник изображения: ИИ-генерация ChatGPT/3DNews
В области квантовых вычислений для реализации кубитов можно выделить два ключевых направления: производство полупроводников, которое обещает простое массовое изготовление, и всё остальное, связанное со сложным оборудованием и нетривиальной реализацией (сверхпроводящие трансмоны, ионы, холодные атомы и т.д.). У чипов есть недостаток — они всегда остаются такими, какими вышли с конвейера. Или, как минимум, пока для них не создадут аналог ПЛИС. Это означает, что организация логических кубитов и алгоритмы, выполняемые этими квантовыми чипами, не будут гибкими. Проще говоря, изготовить их легко, но использовать можно только строго по назначению.
Главное преимущество атомных и ионных систем — возможность физического перемещения кубитов (с помощью лазерного пинцета или других методов). Это позволяет запутывать любые два кубита и перемещать их в нужное место, реализуя требуемый алгоритм практически без ограничений, а также легко выстраивать новые алгоритмы и логические кубиты, что даёт гибкость в коррекции ошибок. Хотя простота здесь относительная, гибкость впечатляет очень сильно — её невозможно достичь на фабричном чипе.
Учёные из Делфтского технического университета (Delft University of Technology) и разработчики из квантовой компании QuTech (которая тесно сотрудничала с Intel по полупроводниковым кубитам) предложили решение, объединяющее достоинства обоих подходов. Для этого они создали массивы полупроводниковых квантовых точек — крошечных структур, способных удерживать один электрон, спин которого будет выступать кубитом. Квантовые точки компактны, хорошо встраиваются в полупроводниковые процессы и позволяют выпускать чипы с большим количеством элементов. Электрон в квантовой точке достаточно изолирован от внешней среды, чтобы его спин сохранял когерентность и был пригоден для выполнения квантового алгоритма. Уточним: эта технология не связана с дисплеями на квантовых точках.
Основное преимущество предложенного подхода заключается в подвижности электронов (кубитов): они не фиксируются в конкретных точках, а перемещаются по необходимости, напоминая поведение атомов. К примеру, два электрона передвигают, заставляя их последовательно перепрыгивать между позициями до тех пор, пока они не окажутся рядом и не образуют запутанное состояние, после чего их возвращают обратно или направляют в другое место — так выстраивается алгоритм для выполнения вычислений.
Эксперименты подтвердили, что спиновые кубиты способны перемещаться между квантовыми точками в линейном массиве под действием электрических сигналов, не утрачивая при этом квантовых состояний (условно говоря, информации). Исследователи размещали электроны на противоположных концах цепочки, сдвигали их навстречу друг другу, добиваясь перекрытия волновых функций, и проводили двухкубитные операции, включая запутывание. Затем кубиты возвращались в исходное положение, и запутанность сохранялась. Также была успешно продемонстрирована телепортация квантового состояния. В тестовом устройстве, состоящем из шести квантовых точек, точность двухкубитных вентилей превысила 99%, а точность телепортации составила около 87% — хотя это далеко от совершенства, результат уже позволяет продолжать работу.
Предложенная архитектура включает зоны для хранения кубитов, «транспортные маршруты» и специальные области взаимодействия для выполнения операций. Такая мобильность даёт возможность динамически изменять связи между кубитами, адаптируя их к различным схемам коррекции ошибок уже после изготовления чипа. Фактически, спиновые кубиты, при относительно простом производстве чипов на современных заводах, получили гибкость настройки вычислительных алгоритмов и схем коррекции ошибок, сравнимую с системами на холодных атомах и ионных ловушках.
Очевидно, что разработка находится на ранних этапах, однако её перспективы выглядят весьма обнадёживающими. Эта работа открывает путь к созданию масштабируемых квантовых процессоров, пригодных для массового производства, с гибкостью использования, характерной для хорошо изученных атомных и ионных систем.
