Исследователи из Бельгии переходят к промышленному производству кубитов

Бренд Stock Master — stock.adobe.com

Шана Массар, инженер программы квантовых вычислений в Imec, утверждает: «Цель квантовых компьютеров не в том, чтобы заменить наши уже известные классические компьютеры для выполнения наших повседневных задач. Нам нужны квантовые компьютеры для решения очень конкретного набора проблем, проблем, которые высокая степень сложности».

Одним из примеров использования квантовых вычислений является решение задач оптимизации; другой моделирует молекулярные системы. Это можно сделать, чтобы лучше понять материаловедение, а также помочь в открытии новых лекарств.

В квантовом компьютере информация манипулируется принципиально иным способом, чем в классическом компьютере. В классическом компьютере логическим элементом является бит, который может принимать одно из двух состояний: ноль или единицу. В квантовом компьютере логическим элементом является кубит или квантовый бит, который определяется как любая связная двухуровневая система, которую можно инициализировать, манипулировать и читать.

«Если я смотрю на состояние бита, то оно либо равно нулю, либо единице, и это приводит к детерминированному измерению, в то время как кубит имеет суперпозицию состояний», — говорит Массар.

«Это линейная комбинация нуля и единицы одновременно. Но после считывания это либо ноль, либо единица с определенной вероятностью – и это приводит к вероятностному измерению.

«У квантового компьютера есть еще одна особенность — запутанность. Классические состояния битов независимы друг от друга, что приводит к тому, что N битов хранят N состояний. Но кубиты могут быть запутаны. Они могут быть связаны, а это значит, что N кубитов могут «обрабатывать» ' в некотором смысле до двух состояний в степени N. Когда мы применяем логическую операцию ко всем этим состояниям одновременно, мы получаем массовое распараллеливание и очень высокую вычислительную мощность».

Но ни одно из этих обещаний о квантовых вычислениях никогда не будет реализовано, пока кто-нибудь не найдет способ производить надежные кубиты повторяемым способом. В настоящее время кубиты внедряются в лабораториях по индивидуальному заказу, но исследователи из Imec хотели бы это изменить. Они начали искать способы производства кубитов в промышленных масштабах.

«Чтобы построить систему на миллион кубитов или просто значимый квантовый компьютер, вам необходимо уменьшить изменчивость кубитов и увеличить производительность, сохраняя при этом точность и последовательность», — говорит Кристиан Де Греве, научный директор и руководитель программы Quantum. Вычисления в Imec.

«Методы, которые используют некоторые из лучших исследовательских лабораторий мира, скорее всего, не позволят вам пройти весь путь. У нас другой подход, и мы пытаемся посмотреть, сможем ли мы использовать существующие инструменты полупроводниковой промышленности, где они создали очень сложные схемы с низкой изменчивостью и высокой производительностью».

Существует несколько различных подходов к реализации кубитов: квантовая оптика, захваченные ионы, магнитный резонанс, сверхпроводники, вакансии азота в алмазе и квантовые точки. Исследователи из Imec фокусируются на двух технологиях – сверхпроводниковых устройствах и полупроводниковых квантовых точках.

Одна из причин такого выбора заключается в том, что Imec рассматривает эти технологии как многообещающий способ создания высококачественных кубитов. Но вторая причина – самая большая причина для Imec – заключается в том, что кубиты в этих двух технологиях могут быть изготовлены способом, который в первом порядке совместим с комплементарными технологиями металл-оксид-полупроводник (КМОП), объектами, которые Imec имеет в очень высоком качестве.

Одна из проблем обоих подходов заключается в том, что они работают при очень низких температурах. По этой причине Imec также проводит исследования в области криоэлектроники, электроники, которая может работать при очень низких температурах.

Imec стремится создавать подходящие и стабильные кубиты и массивы кубитов вместе с необходимыми электронными интерфейсами, которые позволяют программистам настраивать кубиты для запуска программы, а затем считывать результаты.

Чтобы найти оптимальные методы производства, Imec организовала исследовательский процесс, в ходе которого они пробуют различные материалы, архитектуры и технологии производства для производства кубитов, а затем проверяют результаты, чтобы определить, какие методы работают лучше всего.