Квантовые компьютеры обещают революцию, но их практическое применение сдерживает сложность масштабирования. Ключевая проблема — управление кубитами и сохранение их хрупкого состояния при увеличении их числа до миллионов.
Прорывное исследование, опубликованное в Nature, предлагает решение, разработанное в университете Сиднея: специализированные криогенные управляющие чипы, работающие при абсолютном нуле температур. Экстремальное охлаждение позволяет стабилизировать кубиты.
Ученые сосредоточились на спиновых кубитах, информация у которых кодируется в магнитном состоянии отдельных электронов. Главное преимущество таких квантовых битов — возможность создания с использованием стандартной КМОП-технологии. Все современные процессоры создаются по этой технологии, а значит, уже сейчас можно производить необходимое оборудование.
Проблема в том, что для работы спиновых кубитов нужны температуры ниже 1 Кельвина, то есть чуть выше абсолютного нуля (-273,15°C). Ранее размещение сложной управляющей электроники так близко к экстремально охлажденным кубитам создавало проблемы: выделяемое ею тепло и электромагнитные помехи могли разрушать квантовые состояния, сводя на нет преимущества масштабирования.
Команда профессора Дэвида Рейли из университета Сиднея разработала и продемонстрировала работу кремниевого чипа, способного точно управлять спиновыми кубитами при температуре в милликельвины. Ученые доказали, что благодаря тщательному инженерному проектированию эта электроника практически не влияет на соседние кубиты. Это исследование — доказательство того, что сложные управляющие схемы могут быть интегрированы непосредственно рядом с кубитами на КМОП-платформе. И это не приведет к ухудшению характеристик, а значит, достижение австралийцев открывает путь к созданию чипов с миллионами кубитов. К слову, такой результат стал плодом более чем десятилетней работы.
Разработанные криогенные схемы также найдут применение за пределами квантовых вычислений — в сверхчувствительных сенсорах и будущих энергоэффективных дата-центрах. Эта технология — ключ к созданию компактных, доступных и менее энергозатратных квантовых компьютеров.
Наука Mail попросила прокомментировать достижение австралийцев разработчика российских рекордных КМОП-решений Илью Родионова, руководителя кластера Квантум Парк.
Ценить работу коллег из Сиднея можно уже за то, что они мощно подсветили важность системы управления и измерения кубитов — управляющей электроники. Как мы управляем кубитами сегодня? Используем подключаемые по кабелю «комнатные» системы, тепло которых вместе с электрическими помехами ухудшают работу квантовых процессоров. В Сиднейском университете разработали систему криогенной управляющей электроники, которая работает при температуре, близкой к абсолютному нулю. Речь идет о кремниевом чипе (создан по 28-нм КМОП-технологии), который представляет собой ненагруженный контроллер кубитов. Пока на нем расположено не больше 100 тыс компонентов с малым набором команд — всего 32 блока. Сами блоки имеют конструкцию, заточенную на низкое энергопотребление. Интересно, что им удалось совместить контроллер с кремниевыми кубитами на единой сборке на 20мК и при этом сохранить параметры процессора. Система работает и прокладывает вполне понятный путь к масштабируемой криогенной платформе управления. С использованием самых современных КМОП-технологий, коллеги смогут повысить функциональность за счет увеличения количества компонент/узлов на чипе.
Ранее Наука Mail рассказывала о новой технологии защиты квантовых вычислений от ошибок.