Вчені розробили революційний пристрій для передових квантових обчислень

Вчені під керівництвом Університету Массачусетса Амхерст адаптували пристрій під назвою мікрохвильовий циркулятор для використання у квантових комп’ютерах, дозволяючи їм вперше точно налаштувати точний ступінь невзаємності між кубітом, фундаментальною одиницею квантових обчислень, і мікрохвильовою піччю. — резонансна порожнина. Здатність точно налаштувати ступінь невзаємності є важливим інструментом у квантовій обробці інформації.

Роблячи це, команда, включаючи співробітників з Чиказького університету, вивела загальну та широко застосовну теорію, яка спрощує та розширює старі уявлення про невзаємність, щоб у майбутній роботі над подібними темами можна було використовувати переваги моделі команди, навіть якщо використовувати різні компонентів і платформ. Дослідження нещодавно було опубліковано в Science Advances.

Квантові обчислення принципово відрізняються від бітових обчислень, якими ми займаємося щодня. Біт – це частина інформації, яка зазвичай виражається як 0 або 1. Біти є основою для всього програмного забезпечення, веб-сайтів і електронних листів, які складають наш електронний світ.

Навпаки, квантові обчислення спираються на «квантові біти» або «кубіти», які схожі на звичайні біти, за винятком того, що вони представлені «квантовою суперпозицією» двох станів квантового об’єкта. Матерія у квантовому стані поводиться зовсім по-різному, а це означає, що кубіти не мають значення лише 0 або 1 — вони можуть бути обома водночас у спосіб, який звучить як магія, але це чітко визначено квантовими законами. механіка. Ця властивість квантової суперпозиції призводить до збільшення енергетичних можливостей квантових комп’ютерів.

Крім того, властивість під назвою «невзаємність» може створити додаткові шляхи для квантових обчислень для використання потенціалу квантового світу.

«Уявіть собі розмову між двома людьми», — каже Шон ван Гелдерн, аспірант фізики в UMass Amherst і один із авторів статті. «Повна взаємність — це коли кожен з учасників розмови ділиться рівною кількістю інформації. Невзаємність — це коли одна людина ділиться трохи менше, ніж інша».

«Це бажано в квантових обчисленнях, — говорить старший автор Чен Ван, доцент кафедри фізики в UMass Amherst, — оскільки існує багато сценаріїв обчислень, у яких потрібно надати широкий доступ до даних, не даючи нікому права змінювати або погіршувати їх. дані».

Щоб контролювати невзаємність, провідний автор Ying-Ying Wang, аспірант фізики в UMass Amherst, і її співавтори провели серію симуляцій, щоб визначити конструкцію та властивості, які повинен мати їх циркуляційний насос, щоб вони могли змінювати його невзаємність. Потім вони побудували свій циркуляційний насос і провели низку експериментів не лише для того, щоб підтвердити свою концепцію, але й щоб зрозуміти, як саме їхній пристрій забезпечує невзаємність. Під час цього вони змогли переглянути свою модель, яка містила 16 параметрів, що детально описують, як створити їхній конкретний пристрій, до простішої та більш загальної моделі лише з шести параметрів. Ця переглянута, більш загальна модель є набагато кориснішою, ніж початкова, більш конкретна, оскільки вона широко застосовна до ряду майбутніх дослідницьких зусиль.

«Інтегрований невзаємний пристрій», створений командою, виглядає як «Y». У центрі «Y» знаходиться циркулятор, який схожий на круговий рух для мікрохвильових сигналів, що є посередником квантової взаємодії. Одна з ніжок — це резонаторний порт, резонансна надпровідна порожнина, в якій розміщено електромагнітне поле. Інша ніжка «Y» утримує кубіт, надрукований на сапфіровому чіпі. Останньою ланкою є вихідний порт.

«Якщо ми змінюємо надпровідне електромагнітне поле, бомбардуючи його фотонами, — говорить Ін-Ін Ван, — ми бачимо, що цей кубіт реагує передбачуваним і контрольованим способом, а це означає, що ми можемо точно регулювати потрібну взаємність. І спрощена модель, яку ми створили, описує нашу систему таким чином, що зовнішні параметри можуть бути обчислені для налаштування точного ступеня невзаємності».

«Це перша демонстрація вбудовування несприйнятливості у квантовий обчислювальний пристрій, — каже Чен Ван, — і це відкриває двері для створення більш складного апаратного забезпечення квантового обчислення».