Специалисты EPFL и Университета Констанца создали массивы резонаторов — основных компонентов, которые питают квантовые технологии — миниатюрнее и точнее.
Кубиты, или квантовые биты, в основном важны для квантовых вычислений. Однако они также используются в аналоговом квантовом моделировании. В последнем случае ученые создают не цифровую модель, а вполне реальную систему, которая ведет себя почти так же, как объект с квантовыми свойствами, который они хотят изучить. Это невозможно сделать с помощью обычного компьютера, а порой и суперкомпьютера, так как для этого придется учесть большое количество самых разных параметров и провести слишком много вычислений.
Таким образом в аналоговом квантовом моделировании ученые фактически тестируют свои гипотезы с помощью контролируемой квантовой системы, которая позволяет симулировать другую, более сложную. Это все равно что использовать аэродинамическую трубу для изучения потоков воздуха и законов аэродинамики вместо решения множества сложных уравнений.
Чтобы иметь возможность проводить как квантовые вычисления, так и аналоговое квантовое моделирование, необходимо создать среду, с которой взаимодействуют кубиты. Одной из важных составляющих такой среды является связанный массив резонаторов (coupled cavity array, или CCA) — крошечная структура, состоящая из нескольких микроволновых резонаторов, собранных в повторяющиеся паттерны. В такой структуре каждый резонатор может взаимодействовать со своими соседями.
Ученые тщательно подбирают геометрию резонаторов, чтобы в CCA свет (в виде фотонов) мог распространяться только на определенных длинах волн. Это и необходимо ученым как для квантовых вычислений, так и для моделирования.
На этот раз исследователи из Швейцарии и Германии разработали инновационную конструкцию для CCA с использованием нитрида ниобия. Этот сверхпроводниковый материал обладает так называемой высокой кинетической индуктивностью. Это позволило не только уменьшить размеры резонаторов, но и сделать из них хороший фильтр резонансных частот.
Массив из 100 резонаторов позволил имитировать материал, называемый фотонным топологическим изолятором. Он может направлять свет вдоль своих краев очень контролируемым и необычным образом.
Этот прорыв в проектировании CCA представляет собой значительный шаг к более компактным, эффективным и надежным квантовым устройствам, пишут ученые в статье в журнале Nature Communications.
Алексей Акимов, научный директор Российского квантового центра (РКЦ), руководитель группы «Квантовые симуляторы и интегрированная фотоника» РКЦ прокомментировал для Науки Mail:
Одной из основных проблем современных квантовых вычислителей является проблема масштабирования. Как сделать кубитов много? Эта проблема с одной стороны научная, то есть надо решить непростую задачу изоляции кубитов друг от друга так, чтобы они друг другу не мешали работать, и одновременно с этим иметь возможность их контролируемым образом заставлять взаимодействовать. Но есть и вторая проблема, техническая. Нужно научиться управлять кубитами с помощью компактной, соразмерной самим кубитам электроники.
По словам Акимова, сегодня квантовый вычислитель, как правило, окружен огромным количеством приборов, его обслуживающих. И тот же чип сверхпроводникового квантового вычислителя по большей части состоит из сопровождающих кубиты устройств согласования считывания и управления, которые занимают немало драгоценного места на чипе. Их нужно уменьшать и оптимизировать. При этом на сотне изготовленных учеными резонаторов разброс их характеристик составил доли процента. Их резонаторы, необходимые для работы со сверхпроводящими кубитами, стали меньше, не потеряв при этом в качестве. А значит, больше полезных кубитов можно будет вместить на чип.
Напомним, НАСА планирует отправить в космос первый квантовый датчик для измерения гравитации.
