Создан чип для управления квантовыми компьютерами

Учёными Австралии разработан квантовый управляющий чип, который устраняет одно из ключевых препятствий на пути к созданию практичных и мощных квантовых компьютеров. Эта технология, над которой они работали более десяти лет, впервые позволяет разместить миллионы кубитов и сложные системы их управления на одном устройстве.

Главное достижение заключается в том, что новый чип может работать при криогенных температурах, близких к абсолютному нулю (около -273,15 °C). И что особенно важно, его можно разместить в непосредственной близости от кубитов, не нарушая при этом их хрупкое квантовое состояние.

«Работа над этим результатом велась более десяти лет, мы накапливали знания для проектирования электронных систем, которые рассеивают крошечное количество энергии и работают при температурах, близких к абсолютному нулю», — заявил ведущий исследователь Дэвид Рейли, профессор Сиднейского университета.

Это открытие является «жизненно важным доказательством принципа» для интеграции квантовых и классических компонентов в одном чипе — важнейший шаг к созданию масштабируемых процессоров, необходимых для превращения квантовых вычислений в реальность.

Что такое кубиты?

Кубиты — это квантовый эквивалент двоичных битов, используемых в современных компьютерах. Однако, в отличие от классического бита, который может представлять либо 0, либо 1, кубит может находиться в «суперпозиции» обоих состояний одновременно. Это позволяет квантовым компьютерам выполнять множество вычислений параллельно, решая задачи, которые недоступны даже самым мощным суперкомпьютерам.

Особый интерес для учёных представляют так называемые «спиновые кубиты», которые кодируют информацию в спиновом состоянии электрона. Их преимущество заключается в том, что для их создания можно использовать технологию КМОП (CMOS) — ту же самую, что и при производстве чипов в современных смартфонах и ПК. Теоретически, это значительно упростит их массовое производство.

Однако спиновые кубиты чрезвычайно "чувствительны". Для сохранения их квантовых свойств (когерентности) требуется охлаждение до температур ниже 1 кельвина (чуть выше абсолютного нуля). Проблема заключается в том, что любая управляющая электроника, размещаемая рядом, выделяет тепло и создаёт электрические помехи, которые мгновенно разрушают квантовое состояние.

Решение проблемы найдено

Новый чип, созданный австралийскими учёными, решает эту проблему. Он специально разработан для работы в криогенных условиях с ультранизким энергопотреблением. В ходе тестов исследователи разместили управляющий чип менее чем в миллиметре от кубитов. Чип не вызвал измеряемого электрического шума и не привёл к снижению точности, стабильности или когерентности кубитов. При этом общее энергопотребление чипа составило всего 10 микроватт.

«Это подтверждает надежду на то, что кубитами действительно можно управлять в больших масштабах, интегрируя сложную электронику при криогенных температурах», — сказал Рейли. — «Это перенесёт нас из области, где квантовые компьютеры являются лишь увлекательными лабораторными машинами, на этап, где мы сможем начать открывать реальные проблемы, которые эти устройства могут решить для человечества».

Эта разработка может открыть дорогу к созданию процессоров с миллионами кубитов и ускорить тем самым появление по-настоящему полезных, а не лабораторных квантовых компьютеров.