Российские ученые из МГТУ им. Баумана и ВНИИА им. Духова испытали прототип устройства, которое вполне можно назвать «квантовой оперативной памятью». Это чип, который может ловить, удерживать и отпускать «по команде» микроволновые фотоны — мельчайшие частицы света, которыми оперируют квантовые компьютеры.
Понятная аналогия для такого устройства — партитура для оркестра, нотные записи для каждого отдельного инструмента (в излучении это частицы света фотоны разной частоты). В обычной жизни мы не отличаем играющие инструменты друг от друга, просто наслаждаясь произведением, звуки для нас перемешаны. Также и излучение представляет собой смесь фотонов. На новом чипе «ноты» раскладываются по разным «инструментам» — высокодобротным резонаторам.
Когда все частицы света отправлены по местам, квантовая память «закрывается» специальным ключом на основе джозефсоновского перехода. Фотоны таким образом запираются в своих резонаторах, сохраняя переносимую информацию. Когда же приходит команда на считывание нужных данных, ключ открывает замок, и все «ноты» собираются воедино в единое «произведение». Таким образом на выходе появляется точная копия исходного сигнала, но с задержкой во времени.
Главная инновация российских ученых — разработка конструкции этого самого «ключа». В отличие от зарубежных аналогов отечественное решение не требует сложных дополнительных систем управления, а значит, не вносит помех в работу процессора (не шумит, словно работающий дизельный генератор, заглушая игру оркестра) и не теряет фотоны (а значит, запертая в устройстве «музыка» не ослабеет на выходе).
Долгое время потери при передаче и хранении микроволновых фотонов были непреодолимым барьером. Впервые в мире мы смогли обойти фундаментальные ограничения, минимизировав влияние управляющих элементов на хранение квантовой информации.
Это позволило добиться рекордной эффективности устройства: 57,5% сохраненной информации на пике работы против 21% у лучшего американского прототипа и 12% у китайского.
Как пояснил для Наука Mail руководитель кластера Квантум Парк Илья Родионов, не 100%-ная эффективность устройства связана с потерями в материалах и означает, что часть информации теряется. Это приводит к тому, что для получения на выходе устройства необходимого сигнала приходится записывать в него заведомо больше информации. Устранив неточности, связанные с техпроцессом изготовления квантовой памяти, инженеры в дальнейшем надеются получить «квантовую память» со 100%-ной эффективностью без потери информации.
Отметим, что частота работы новой «квантовой памяти» достигла 662 кГц — то есть каждый цикл «запись-хранение-выдача» занимает чуть больше полутора микросекунд.
Циклический характер памяти продиктован необходимостью поддерживать фазовые соотношения — информация удерживается внутри устройства до тех пор, пока по запросу пользователя не высвобождается точная, но задержанная во времени копия входного импульса. Мы фактически научились останавливать, хранить и отпускать микроволновые фотоны по команде.
Зачем нужна такая разработка? Сейчас главная проблема квантовых вычислений — все еще достаточно высокий уровень ошибок. Квантовые состояния частиц, которые служат единицами хранения информации в квантовом компьютере (кубиты), крайне нестабильны. Исследователи научились контролировать десятки физических кубитов, объединяя их в системы, которые демонстрируют более низкий уровень ошибки (логические кубиты).
Наличие надежной «квантовой оперативной памяти» позволит создавать такие системы коррекции ошибок, которым нужно будет меньше физических кубитов для создания более надежного логического кубита. Также новая разработка поможет объединять процессоры с небольшим количеством кубитов в сеть для распределенных квантовых вычислений. Кроме того, квантовая ОЗУ поможет создавать сверхчувствительные сенсоры для обнаружения малозаметных на сегодняшний день объектов, стгналы от которых не может уловить ни одно существующее устройство. Например, это могут быть небесные теа или звезды, расположенные на большом расстоянии от Земли, добавил Илья Родионов для Наука Mail.
Созданная нами квантовая память демонстрирует рекордные параметры, что является серьезным достижением в решении одной из самых сложных задач квантовой инженерии. Наше устройство может стать той самой «квантовой оперативкой», которой не хватало для ускорения развития квантовых вычислений и сенсорики
Мы получили устройство, теоретическая эффективность которого не ограничена и потенциально может достигать 100%. Это крайне важно, поскольку эффективность предложенных в мире архитектур квантовой памяти значительно ограничена даже в теории.
Ученые отмечают, что разработанная архитектура совместима со стандартными сверхпроводниковыми кубитами, а значит, ее можно будет встраивать в существующие квантовые процессоры на основе сверхпроводников. Однако процессоры на других физических платформах к новой «квантовой оперативке» пока подключить невозможно. Это дело будущего. Как, впрочем, и отработка совместной работы сверхпроводниковых кубитов и запирающего устройства.
Нам нужно начать с моделирования совместной работы квантовой памяти и сверхпроводниковых кубитов. Начать с одного кубита, связать его с памятью, проверить, работает ли модель. Когда система начнет работать с одним кубитом, сможем перейти на многокубитные сопроцессоры. Это обязательно потребует доработки теоретической модели квантовой памяти. Звучит обыденно, но на данный момент это сложнейшая, фундаментальная задача – пока в мире этого никто не пробовал.
Статья авторов разработки вышла в журнале Physical Review Letters.
Ранее Наука Mail писала о создании идеального квантового «переводчика» для сетей будущего, квантовой памяти из нанопроволок и новом способе охлаждения кубитов.
