Эксперты Корнеллского университета планируют сделать квантовую технологию практичной

Реальность, по крайней мере, в том виде, в каком мы ее знаем, очень глубока. Посмотрите достаточно внимательно на любой объект, вплоть до уровня молекул и атомов, и мир начнет играть по своим правилам. Это сфера квантовой физики: где волны энергии и частицы одинаковы, а странные явления, такие как телепортация, являются нормой. Эти загадочные особенности могут стать ключом к созданию революционно новых компьютеров и электронных компонентов. Вместо использования кремниевых транзисторов, таких как традиционные компьютеры или интегральные схемы, квантовые устройства полагаются на субатомные частицы как средство маршрутизации и обработки информации, что делает их быстрее и мощнее, чем любое другое электронное оборудование, которое мы можем себе представить в настоящее время. Три новых преподавателя из Корнеллской школы электротехники и вычислительной техники работают над тем, чтобы сделать квантовые устройства практичными и масштабируемыми. Доцент Каран Мехта вместе с доцентом Мохамедом Ибрагимом и доцентом Марком Уайльдом в своей работе выходят далеко за рамки прикладной физики, включая элементы схемотехники, фотоники, системной архитектуры, теории информации и других областей, чтобы сделать квантовые компьютеры реальностью. Улавливание ионов Мехта, например, изучает базовый строительный блок квантовых компьютеров – специализированный компонент, называемый «кубитом захваченного иона». По сути, это один атом, подвешенный в вакууме с помощью электрических полей и управляемый лазерами. Используя эти лазеры для управления вращением и зарядом атомов, можно «запрограммировать» их на выполнение простых алгоритмов. Однако, как и у любого электронного компонента, у этих кубитов есть свои плюсы и минусы, отмечает Мехта. Одним из преимуществ является то, что каждый ион подвешен в пространстве и изолирован от других атомов, а это означает, что он подвергается очень небольшому воздействию помех или шума. Но управлять этими кубитами сложно, и по мере того, как системы становятся все больше и больше, в систему могут проникнуть другие источники шума, мешающие ее бесперебойной работе. Избавление от этого шума является важной частью создания полезного квантового компьютера, для которого потребуются тысячи или даже миллионы кубитов». пространство становится очень твердым», — говорит Мехта. «Каждый раз, когда вы добавляете в систему больше кубитов, сложность устройства управления приводит к увеличению потенциальных ошибок и шума». В квантовых вычислениях этот шум может исказить выходные данные машины. Когда появляются малейшие вибрации, тепло или что-то еще, что случайно возмущает захваченный ион, кубиты теряют важнейшую особенность, называемую суперпозицией – явление, при котором электроны существуют в нескольких состояниях одновременно, что позволяет программистам одновременно выполнять разные итерации задачи. Однако если присутствует какой-либо шум, эта суперпозиция преждевременно разрушается, создавая ошибки в вычислениях. Мехта пытается обойти это ограничение, используя полупроводниковые устройства для манипулирования и определения состояния каждого кубита. Он считает, что использование импульсов света, доставляемых в кубиты и собираемых в микросхемные устройства управления на основе оптоволокна, может стать ключом к созданию чистых, малошумящих квантовых систем. Такие системы могли бы позволить создать крупномасштабные системы, а также значительно снизить лишний шум, сделав кубиты более стабильными. «С инженерной точки зрения это может решить проблему «слона в комнате», а именно проблему управления этими в остальном нетронутыми квантовыми системами», — говорит он. «Идея состоит в том, чтобы использовать фундаментальные преимущества чрезвычайно чистых, малошумящих квантовых систем вместе с масштабируемым оборудованием». Квантовые системы на чипеИбрагим согласен с этой оценкой. В своей лаборатории он работает над масштабируемыми квантовыми системами размером с чип, используя современные миниатюрные интегральные схемы (ИС). Ибрагим разрабатывает интегрированные квантовые датчики, используя специальную форму кристаллов алмаза. Вместо чистого углерода в эти алмазы добавлены атомы азота. В сочетании с вакантным местом каждый атом азота образует центр азотной вакансии (NV) с уникальными новыми свойствами. По его словам, подвергая эти кристаллы восходящему воздействию микроволновой энергии и импульсов зеленого света, они начинают светиться флуоресцентно-красным светом. интенсивность в зависимости от спиновых состояний электронов NV-центров — и записывая точные частоты, на которых происходит провал интенсивности флуоресценции, Ибрагим может отслеживать температуру и измерять интенсивность магнитных и электрических полей, окружающих датчик. Хотя это хорошо известное свойство, Ибрагим работает над объединением всех задействованных элементов в одно миниатюрное устройство размером с кристалл, включая встроенный в кристалл микроволновый радиоисточник и схемы обнаружения красного света. Они объединены с алмазной кристаллической решеткой и зеленым лазерным излучателем. По его словам, подобные интегральные схемы могут иметь самые разные применения: от глобальной навигации до восприятия биоэлектрических сигналов в сердце и мозге, но Ибрагим говорит, что он также заинтересован в создании интегрированных контроллеров для квантовых компьютеров, где они могли бы помочь решить давнюю проблему». Кубиты необходимо хранить в криогенном холодильнике. Чтобы передавать сигналы между этими ультрахолодными средами и классическими компьютерами, которые управляют кубитов, в настоящее время мы используем кабели, которые ограничивают масштабируемость тысячами кубитов», — говорит он. Используя криогенные микросхемы в качестве посредника, работающие при температуре нескольких градусов Кельвина, возможно, можно будет создать многокубитные контроллеры, которые смогут гораздо эффективнее масштабироваться до большего количества кубитов». Однако нам все еще необходимо взаимодействовать с промежуточной холодной температурой, которая "В настоящее время это делается с использованием проводящих коаксиальных кабелей. Поскольку эти кабели также являются теплопроводными, мы можем фактически терять по ним энергию порядка нескольких милливатт", - говорит он. Ибрагим работает над эффективными приемопередатчиками, которые могут решить эту проблему, используя либо беспроводную связь, либо беспроводную связь. или кабели с очень низкой теплопроводностью, например оптические волокна. Использование микросхем для разработки новых архитектур для взаимодействия или прямого управления кубитами позволит увеличить их количество, открывая эпоху крупномасштабных квантовых компьютеров. Программирование кубитов. Однако независимо от того, насколько надежным и эффективным мы можем сделать квантовый компьютер, мы далеко не продвинемся, если не найдём наиболее эффективные способы его использования – область, которую Уайльд активно изучает. В то время как его коллеги из Школы электротехники и вычислительной техники разрабатывают новое аппаратное и программное обеспечение, чтобы воплотить эти устройства в жизнь, Уайльд обращает свое внимание на квантовую теорию информации или сложные алгоритмы, используемые для обработки информации в этом устройстве. Неудивительно, что он говорит, что квантовые компьютеры гораздо менее просты, чем классические кремниевые устройства. Классический компьютер с двумя битами, каждый из которых принимает значения ноль и единица, может генерировать четыре различные комбинации этих чисел (00, 01, 10 и 11), но может вычислять только одну за раз. С другой стороны, квантовый компьютер может исследовать все четыре возможных ответа одновременно – и, как следствие, требует совершенно новых методов программирования». ; исключить их из вычислений, как при обрезке дерева, а затем усилить пути, которые приведут к правильному решению, когда вы в конечном итоге его измерите», — говорит Уайльд. работаем над способами исправления этих случаев и обеспечения того, чтобы шумные сбои не искажали выходные данные компьютера. Один из методов, отмечает он, заключается в том, чтобы сделать квантовые алгоритмы максимально эффективными, сокращая время, необходимое для их работы, и ограничивая вероятность искажения кубитов шумом во время вычислений. Хотя он работает над новыми способами построения надежных квантовых алгоритмов, работа Уайльда не полностью сосредоточена на практических решениях. Он также пытается решать головоломки с более философским уклоном. «Я хочу понять конечные пределы общения», — говорит он. «В каждой коммуникационной задаче вам придется выполнять какие-то вычисления на обоих концах, и в каждой вычислительной задаче вам придется обмениваться данными между кубитами внутри компьютера — поэтому вычисления и связь неизбежно переплетаются». и вы никогда не сможете их разделить». Имея это в виду, он спрашивает, каковы физические пределы этих процессов? И как далеко мы можем их зайти? Эти вопросы — не просто абстрактные мысленные эксперименты; они — хлеб с маслом той работы, которую сейчас выполняют Уайльд и его коллеги. Со временем междисциплинарные исследования, проводимые в их лабораториях, могут произвести революцию в вычислительной технике и электротехнике в целом, открыв бесконечное множество новых возможностей, основанных на квантовой физике.