Как называется квантовый разряд или наименьший элемент хранения информации в квантовом компьютере
Обновлено: 21.11.2024
Это использование квантовой механики для выполнения вычислений на специализированном оборудовании.
Введение в квантовые вычисления
Чтобы полностью определить квантовые вычисления, нам нужно сначала определить некоторые ключевые термины.
Что такое квант?
Квант в «квантовых вычислениях» относится к квантовой механике, которую система использует для расчета выходных данных. В физике квант — это наименьшая возможная дискретная единица любого физического свойства. Обычно это относится к свойствам атомных или субатомных частиц, таких как электроны, нейтрино и фотоны.
Что такое кубит?
Кубит — это основная единица информации в квантовых вычислениях. Кубиты играют ту же роль в квантовых вычислениях, что и биты в классических вычислениях, но они ведут себя совсем по-другому. Классические биты являются двоичными и могут хранить только позицию 0 или 1, а кубиты могут содержать суперпозицию всех возможных состояний.
Что такое квантовые вычисления?
Квантовые компьютеры используют уникальное поведение квантовой физики, такое как суперпозиция, запутанность и квантовая интерференция, и применяют его к вычислениям. Это вводит новые концепции в традиционные методы программирования.
Наложение
В суперпозиции квантовые частицы представляют собой комбинацию всех возможных состояний. Они колеблются, пока их не наблюдают и не измеряют. Один из способов изобразить разницу между бинарной позицией и суперпозицией — представить себе монету. Классические биты измеряются путем «подбрасывания монеты» и выпадения орла или решки. Однако, если бы вы могли смотреть на монету и одновременно видеть орел и решку, а также каждое промежуточное состояние, монета находилась бы в суперпозиции.
Запутанность
Запутанность — это способность квантовых частиц сопоставлять результаты своих измерений друг с другом. Когда кубиты запутаны, они образуют единую систему и влияют друг на друга. Мы можем использовать измерения одного кубита, чтобы сделать выводы о других. Добавляя и запутывая больше кубитов в системе, квантовые компьютеры могут вычислять экспоненциально больше информации и решать более сложные задачи.
Квантовая интерференция
Квантовая интерференция — это внутреннее поведение кубита из-за суперпозиции, влияющее на вероятность его коллапса тем или иным образом. Квантовые компьютеры спроектированы и построены так, чтобы максимально уменьшить помехи и обеспечить наиболее точные результаты. С этой целью Microsoft использует топологические кубиты, которые стабилизируются путем манипулирования их структурой и окружения их химическими соединениями, защищающими их от внешнего вмешательства.
Как работают квантовые вычисления?
Квантовый компьютер состоит из трех основных частей:
- Область, в которой находятся кубиты
- Метод передачи сигналов кубитам
- Классический компьютер для запуска программы и отправки инструкций.
Для некоторых методов хранения кубитов устройство, в котором хранятся кубиты, поддерживается при температуре чуть выше абсолютного нуля, чтобы обеспечить максимальную их согласованность и уменьшить помехи. В других типах корпусов кубитов используется вакуумная камера, чтобы свести к минимуму вибрации и стабилизировать кубиты.
Сигналы можно отправлять на кубиты различными способами, включая микроволны, лазер и напряжение.
Использование и области применения квантовых компьютеров
Квантовый компьютер не может делать все быстрее, чем классический компьютер, но есть несколько областей, в которых квантовые компьютеры могут оказать большое влияние.
Квантовое моделирование
Квантовые компьютеры исключительно хорошо подходят для моделирования других квантовых систем, поскольку в своих вычислениях они используют квантовые явления.Это означает, что они могут справиться со сложностью и неоднозначностью систем, которые перегрузили бы классические компьютеры. Примеры квантовых систем, которые мы можем моделировать, включают фотосинтез, сверхпроводимость и сложные молекулярные образования.
Криптография
Классическая криптография, например алгоритм Ривеста–Шамира–Адлемана (RSA), который широко используется для защиты передачи данных, основана на неразрешимости таких задач, как целочисленная факторизация или дискретное логарифмирование. Многие из этих проблем можно решить более эффективно с помощью квантовых компьютеров.
Оптимизация
Оптимизация — это процесс поиска наилучшего решения проблемы с учетом желаемого результата и ограничений. В науке и промышленности важные решения принимаются на основе таких факторов, как стоимость, качество и время производства, которые можно оптимизировать. Запуская квантовые алгоритмы оптимизации на классических компьютерах, мы можем найти решения, которые раньше были невозможны. Это помогает нам находить более эффективные способы управления сложными системами, такими как транспортные потоки, назначение выходов на посадку, доставка посылок и хранение энергии.
Квантовое машинное обучение
Машинное обучение на классических компьютерах меняет мир науки и бизнеса. Однако обучение моделей машинного обучения сопряжено с высокими вычислительными затратами, что препятствует расширению и развитию этой области. Чтобы ускорить прогресс в этой области, мы изучаем способы разработки и внедрения квантового программного обеспечения, которое обеспечивает более быстрое машинное обучение.
Поиск
Квантовый алгоритм, разработанный в 1996 году, значительно ускорил поиск неструктурированных данных, выполняя поиск за меньшее количество шагов, чем любой классический алгоритм.
Ресурсы Azure Quantum
Создавайте квантовые решения уже сегодня, как один из первых пользователей Azure Quantum Preview — полнофункциональной открытой облачной экосистемы. Получите доступ к программному обеспечению, оборудованию и готовым решениям и начните разработку на надежной, масштабируемой и безопасной платформе.
Не так давно обсуждение квантовых вычислений велось в основном в технических журналах или на научных конференциях.
Сегодня основные средства массовой информации и деловые издания освещают квантовые темы.
Квантовые вычисления изменят отрасли. Для этого Honeywell Quantum Solutions уже сотрудничает с JPMorgan Chase, Merck, DHL, BMW, Samsung и другими глобальными организациями.
Вот определения, помогающие объяснить квантовые вычисления и технологию Honeywell с захваченными ионами:
Кубит. В классических вычислениях наименьшей единицей данных является двоичная цифра или бит. Бит — это поток электрических импульсов, каждый из которых существует либо в положении «0» — выключено, либо в положении «1» — включено. Квантовый бит или кубит — это наименьшая единица данных в квантовых вычислениях. Кубиты могут существовать как 0 и 1 одновременно, явление, называемое суперпозицией, или что-то среднее между ними. Эта способность находиться в нескольких положениях одновременно является одной из причин, по которой квантовые вычисления обещают быть такими мощными.
Запутанность. Как правило, невозможно находиться в двух местах одновременно, за исключением квантовой физики. Благодаря явлению, называемому запутанностью, квантовые частицы могут связываться на больших расстояниях и иметь общее квантовое состояние. Изменение состояния одной квантовой частицы коррелирует с состоянием другой. Квантовые компьютеры используют это явление, запутывая кубиты, а затем кодируя их информацией для выполнения вычислений, пока они находятся в одном квантовом состоянии.
Технология захваченных ионов — компания Honeywell Quantum Solutions занимается разработкой квантовых технологий с захваченными ионами. Наши системы «улавливают» заряженные атомы (ионы) иттербия электромагнитными полями, чтобы ими можно было манипулировать и кодировать информацию с помощью микроволновых сигналов и лазеров. Наша новейшая технология, модель системы H1, предлагает ряд явных преимуществ, в том числе высокое качество квантовых операций (точность) и более длительное время когерентности (кубиты дольше сохраняют свое квантовое состояние) по сравнению с другими технологиями квантовых вычислений.
Квантовая схема. Вы когда-нибудь задумывались, что нужно для программирования квантового компьютера? Что ж, программное обеспечение не похоже на традиционный компьютерный код, скорее конкретные квантовые алгоритмы записываются в виде «схемы», которая представляет собой серию инструкций для каждого кубита во время вычисления. Эти схемы при отображении часто выглядят как ноты.
Точность. Компьютеры выполняют вычисления, манипулируя состояниями битов, изменяя биты с 0 на 1 и с 1 на 0, как будто щелкают переключателем. Точно так же квантовые компьютеры должны иметь возможность манипулировать кубитами от 0 до 1 и так далее. Точность вычислений зависит от нашей способности выполнять эти «перевороты битов» с очень высокой вероятностью успеха или «верностью». Верность — это мера того, как часто попытка флипа приводит к правильному состоянию кубита. Чем выше верность, тем лучше. Наша точность работы отдельных кубитов равна 99.В настоящее время 997 % — это лучший показатель производительности среди всех технологий адресуемых кубитов.
Quantum Volume. Помните старую поговорку: «Нельзя судить о книге по обложке?» То же самое верно и для квантовых вычислений. Вы не можете судить о квантовом компьютере исключительно по количеству кубитов, которые у него есть. Другие факторы, такие как количество операций, точность и подключение кубитов, также влияют на производительность. Тест Quantum Volume (QV) был разработан для сопоставимого измерения производительности всех технологий квантовых вычислений. QV измеряется с помощью серии тщательно разработанных тестов. Чем выше квантовый объем, тем мощнее система. Наша 10-кубитная системная модель H1 достигла рекордного квантового объема 512 в марте 2021 года.
Измерение в середине цепи. Эта функция позволяет выборочно измерять кубиты в точке, отличной от конца квантовой цепи. Квантовая информация измеренного кубита схлопывается до классического состояния (нуля или единицы), но неизмеренные кубиты сохраняют свое квантовое состояние. Основываясь на измеренном кубите, пользователи могут решить, какие действия предпринять дальше в схеме, что обеспечивает гораздо более динамичное и гибкое программирование квантового компьютера, чем это было бы возможно в противном случае. Использование промежуточного измерения для выполнения условных логических действий эквивалентно использованию оператора «если-то» в классическом программном обеспечении. Мы были первыми, кто включил этот тип измерения в наши коммерческие предложения.
Заинтересованы в кубитах и квантовых вычислениях? Вот несколько определений, которые помогут вам узнать об этой новой технологии.
Объяснение квантовых вычислений: термины, которые нужно знать
Заинтересованы в кубитах и квантовых вычислениях? Вот несколько определений, которые помогут вам узнать об этой новой технологии.
Не так давно обсуждение квантовых вычислений велось в основном в технических журналах или на научных конференциях.
Сегодня основные средства массовой информации и деловые издания освещают квантовые темы и рассуждают о «квантовом преимуществе» — моменте, когда квантовые компьютеры могут выполнять вычисления, недоступные сегодняшним компьютерам.
Для этого Quantinuum уже сотрудничает с JPMorgan Chase, Merck, DHL, BMW, Samsung и другими глобальными организациями.
Вот определения, помогающие объяснить квантовые вычисления и технологию захвата ионов Quantinuum:
Битовые и фазовые перевороты
В классических вычислениях ошибки переключения битов возникают, когда двоичная цифра или бит непреднамеренно переключаются с нуля на единицу или наоборот. Квантовые компьютеры испытывают эту ошибку, а также фазовые перевороты. Обе ошибки приводят к тому, что кубиты теряют свое квантовое состояние — или декогерентность. Классические компьютеры обходят это путем клонирования данных для исправления ошибок. Однако этот метод не работает в квантовых вычислениях.
Безубыточность
Как отмечалось выше, создание логических кубитов и применение квантовых кодов коррекции ошибок может добавить ошибок в квантовую систему. Безубыточность — это точка, в которой частота ошибок, возникающая после создания логических кубитов и применения циклов квантовой коррекции ошибок, ниже, чем частота ошибок, существовавшая до их создания.
Коды
После формирования логического кубита исследователи применяют коды для обнаружения и исправления ошибок, что снижает уровень шума. Это не то же самое, что писать программный код. Это математические протоколы или процессы, которые помогают защитить квантовую информацию. Одними из наиболее популярных кодов квантовой коррекции ошибок являются цветовой код и поверхностный код.
Согласованность
В квантовых вычислениях когерентность означает запутанность кубитов в квантовом состоянии, необходимом для выполнения вычислений. Поддержание этого квантового состояния в течение более длительного времени необходимо для выполнения более сложных вычислений.
Запутанность
Вообще невозможно находиться в двух местах одновременно — кроме как в квантовой физике. Благодаря явлению, называемому запутанностью, квантовые частицы могут связываться на больших расстояниях и иметь общее квантовое состояние. Изменение состояния одной квантовой частицы автоматически изменяет состояние другой. Квантовые компьютеры используют это явление, запутывая кубиты, а затем кодируя их информацией для выполнения вычислений, пока они находятся в одном квантовом состоянии.
Отказоустойчивые вычисления
Отказоустойчивость – это принцип проектирования, который предотвращает каскадное распространение ошибок по всей системе и повреждение цепей. Современные суперкомпьютеры отказоустойчивы, и квантовые компьютеры должны быть такими же, чтобы выполнять сложные вычисления.
Верность
Компьютеры выполняют вычисления, манипулируя состояниями битов, изменяя биты с 0 на 1 и с 1 на 0, как будто переключая переключатель. Точно так же квантовые компьютеры должны иметь возможность манипулировать кубитами от 0 до 1 и так далее.Точность вычислений зависит от нашей способности выполнять эти «перевороты битов» с очень высокой вероятностью успеха или «верностью». Верность — это мера того, как часто попытка флипа приводит к правильному состоянию кубита. Чем выше верность, тем лучше. Наша точность работы с отдельными кубитами составляет 99,997 %, что в настоящее время является лучшим показателем производительности среди всех адресуемых технологий кубитов.
Логический кубит
Чтобы обойти эти проблемы, исследователи создают «логические» кубиты. Логический кубит — это набор запутанных физических кубитов, на которых распределяется, хранится и защищается квантовая информация. Логические кубиты структурированы таким образом, что исследователи могут обнаруживать ошибки в отдаленных физических кубитах, известных как вспомогательные, не нарушая работу кубитов, закодированных информацией и выполняющих вычисления.
Волшебное состояние
Процесс квантовой коррекции ошибок необходим для инициализации и создания того, что известно в квантовых вычислениях как магическое состояние. Магические состояния — это то, что позволяет квантовым компьютерам делать что-то или выполнять сложные вычисления, на которые классические компьютеры не способны. Это как секретный соус или специальный ингредиент в рецепте, за исключением того, что его трудно определить. Мы этого не видим. Мы просто знаем, что он есть и что он необходим для квантовых вычислений. Да, это абстрактно. Но важно то, что применение квантовой коррекции ошибок и уменьшение шума необходимы для создания магических состояний.
Измерение среднего контура
Эта функция позволяет выборочно измерять кубиты в точке, отличной от конца квантовой цепи. Квантовая информация измеренного кубита схлопывается до классического состояния (нуля или единицы), но неизмеренные кубиты сохраняют свое квантовое состояние. Основываясь на измеренном кубите, пользователи могут решить, какие действия предпринять дальше в схеме, что обеспечивает гораздо более динамичное и гибкое программирование квантового компьютера, чем это было бы возможно в противном случае. Мы были первыми, кто включил этот тип измерения в наши коммерческие предложения.
В статьях о квантовых вычислениях текущий этап квантовых вычислений иногда упоминается как «эпоха NISQ». Произносится как «nis-k», эта аббревиатура расшифровывается как Noisy Intermediate-Scale Quantum Computing. Это относится к ближайшим квантовым компьютерам, на которых не применялись полные циклы квантовой коррекции ошибок. Все коммерческие квантовые компьютеры, работающие сегодня, считаются машинами эпохи NISQ.
Шум
Квантовые биты или кубиты — это наименьшая единица данных в квантовых компьютерах. Кубиты деликатны и хрупки и имеют тенденцию взаимодействовать с окружающей средой и друг с другом, что создает «шум» или помехи. Этот шум вызывает накопление ошибок, искажает информацию, хранящуюся в физических кубитах и между ними, и нарушает квантовое состояние, в котором кубиты должны находиться для выполнения вычислений. Это явление называется декогеренцией.
Постобработка
Существуют разные методы удаления "шума" из квантовых данных. Один из них называется постобработкой, когда результаты квантовых вычислений сравниваются с данными классических компьютеров, чтобы можно было идентифицировать и удалить «шум» после завершения вычислений. Это полезный метод на ранней стадии квантовых вычислений для проверки и подтверждения вычислений. Но это будет невозможно, поскольку квантовые компьютеры масштабируются и начинают выполнять вычисления, слишком сложные для классических компьютеров.
Цикл квантовой коррекции ошибок
Квантовые исследователи разработали многоэтапный процесс, известный как цикл квантовой коррекции ошибок, для обнаружения и исправления ошибок и устранения шума во время вычислений. Цикл QEC начинается с 1) измерения так называемых синдромов для выявления ошибок; 2) посылают эти измерения ошибок в декодер, который идентифицирует математическую коррекцию; 3) актуализация этих синдромов и проведение коррекций. Применение полных циклов квантовой коррекции ошибок сложно. Этот процесс может ввести шум в систему, и его применение непосредственно к физическим кубитам приводит к тому, что они теряют свое квантовое состояние.
Квантовый объем
Помните старую поговорку: «Нельзя судить о книге по обложке?» То же самое верно и для квантовых вычислений. Вы не можете судить о квантовом компьютере исключительно по количеству кубитов, которые у него есть. Другие факторы, такие как количество операций, точность и подключение кубитов, также влияют на производительность. Тест Quantum Volume (QV) был разработан для сопоставимого измерения производительности всех технологий квантовых вычислений. QV измеряется с помощью серии тщательно разработанных тестов. Чем выше квантовый объем, тем мощнее система. Наша модель системы H1 с 10 кубитами достигла рекордного квантового объема 512 в марте 2021 года.
Кубит
В классических вычислениях наименьшая единица данных — это двоичная цифра или бит. Бит — это поток электрических импульсов, каждый из которых существует либо в положении «0» — выключено, либо в положении «1» — включено. Квантовый бит или кубит — это наименьшая единица данных в квантовых вычислениях.Кубиты могут существовать как 0 и 1 одновременно, явление, называемое суперпозицией, или что-то среднее между ними. Эта способность находиться в нескольких положениях одновременно является одной из причин, по которой квантовые вычисления потенциально настолько эффективны.
Технология захваченных ионов
Компания Honeywell Quantum Solutions занимается разработкой квантовых технологий на основе захваченных ионов. Наши системы «улавливают» заряженные атомы (ионы) иттербия электромагнитными полями, чтобы ими можно было манипулировать и кодировать информацию с помощью микроволновых сигналов и лазеров. Наша новейшая технология, System Model H1, обладает некоторыми явными преимуществами, включая высокую точность и более длительное время когерентности (кубиты дольше сохраняют свое квантовое состояние) по сравнению с другими технологиями квантовых вычислений.
Квантовые компьютеры — это машины, использующие свойства квантовой физики для хранения данных и выполнения вычислений. Это может быть чрезвычайно выгодно для определенных задач, где они могут значительно превзойти даже наши лучшие суперкомпьютеры.
Классические компьютеры, включая смартфоны и ноутбуки, кодируют информацию в двоичных «битах», которые могут быть равны 0 или 1. В квантовом компьютере основной единицей памяти является квантовый бит или кубит.
Кубиты создаются с использованием физических систем, таких как вращение электрона или ориентация фотона. Эти системы могут находиться одновременно во многих различных конфигурациях — свойство, известное как квантовая суперпозиция. Кубиты также могут быть неразрывно связаны друг с другом с помощью явления, называемого квантовой запутанностью. В результате ряд кубитов может одновременно представлять разные вещи.
Например, восьми бит достаточно, чтобы классический компьютер представлял любое число от 0 до 255. Но восьми кубитов достаточно, чтобы квантовый компьютер мог одновременно представлять все числа от 0 до 255. Нескольких сотен запутанных кубитов было бы достаточно, чтобы представить больше чисел, чем атомов во Вселенной.
Реклама
- Пройдите наш курс квантовой физики под руководством экспертов и узнайте о принципах, лежащих в основе современной физики.
Именно здесь квантовые компьютеры получают преимущество перед классическими. В ситуациях, когда имеется большое количество возможных комбинаций, квантовые компьютеры могут рассматривать их одновременно. Примеры включают попытку найти простые множители очень большого числа или лучший маршрут между двумя точками.
Однако во многих случаях классические компьютеры по-прежнему превосходят квантовые. Таким образом, компьютеры будущего могут представлять собой комбинацию обоих этих типов.
На данный момент квантовые компьютеры очень чувствительны: тепло, электромагнитные поля и столкновения с молекулами воздуха могут привести к тому, что кубит потеряет свои квантовые свойства. Этот процесс, известный как квантовая декогеренция, приводит к сбою системы, и это происходит тем быстрее, чем больше задействовано частиц.
Квантовые компьютеры должны защищать кубиты от внешних помех, либо физически изолируя их, охлаждая, либо отключая тщательно контролируемыми импульсами энергии. Дополнительные кубиты необходимы для исправления ошибок, проникающих в систему.
Кубит может хранить один бит — наименьшую возможную единицу цифровой информации — и является основным строительным блоком будущего квантового компьютера. Кубиты из полупроводниковых материалов, подобные тем, которые исследуются в Базеле, являются одними из наиболее многообещающих кандидатов.
Модель базельского кубита: два отдельных электрона (красные) захвачены квантовой точкой. Их спиновые состояния (стрелки) образуют информационные единицы (кубиты). Золотые контакты позволяют электронам удерживаться в стабильных электрических полях. Структура имеет размер примерно полмикрометра и встроена в полупроводниковый материал — в данном случае это атомы галлия и мышьяка (зеленый/фиолетовый). Соседний датчик используется для измерения вращения.
Как и обычные компьютеры, квантовые компьютеры также обрабатывают и хранят информацию в цифровом виде: информация кодируется с использованием системы, состоящей всего из двух цифр (0 и 1).Каждая из этих цифр содержит один «бит» информации, который можно сохранить с помощью любой технической системы, которую можно включать и выключать. В компьютерах бит хранится в переключаемой цепи, которая либо включена (ВКЛ = 1), либо выключена (ВЫКЛ = 0). Компьютеры разбивают сложную информацию, такую как числа и текст, на биты, которые затем обрабатываются с помощью множества очень быстрых процессов включения и выключения.
ВКЛ и ВЫКЛ одновременно
Квантовый компьютер будущего также будет разбивать сложную информацию на биты. Однако вместо использования переключаемых цепей он обрабатывает и сохраняет эту информацию с помощью квантовой физической системы, которая может принимать состояния ВКЛ и ВЫКЛ. В то время как переключаемая цепь либо ВКЛ, либо ВЫКЛ, в квантовых физических системах состояния ВКЛ и ВЫКЛ существуют одновременно, даже если это противоречит нашему повседневному опыту. Система такого типа, представляющая собой суперпозицию двух состояний, стала известна как квантовый бит (или кубит).
Тем не менее, мы не должны позволять себе ослепляться модным названием: кубит сам по себе также содержит всего один бит информации — ровно столько же, сколько переключаемая схема. Особые свойства, возникающие в результате суперпозиции, вступают в игру только после того, как кубит соединяется с другими кубитами определенным образом, а именно с использованием характерного явления квантовой физики, известного как запутанность. Только когда несколько кубитов объединены в группы (квантовые регистры), они порождают очень мощные системы обработки информации.
100 миллионов на один квадратный сантиметр
Квантовые биты можно было бы производить несколькими совершенно разными способами. «В физике нам известно множество систем с двумя точно определенными состояниями, которые подчиняются правилам квантовой физики. Поэтому за последние 20 лет было предложено бесчисленное количество методов создания квантовых битов», — говорит Дэниел Лосс, профессор физики Базельского университета. «Однако от большинства этих предложений позже отказались». Это связано с тем, что физические системы, предназначенные для использования в качестве кубитов, должны обладать рядом особых свойств в дополнение к их квантовым физическим свойствам: например, кубиты должны быть достаточно малы, чтобы вы могли в идеале разместить 100 миллионов из них на чипе площадью один квадратный сантиметр; иначе невозможно будет построить управляемый компьютер. Также должна быть возможность переключать кубиты из ВКЛ в ВЫКЛ и наоборот с высокой скоростью — в идеале миллиард раз в секунду, как это принято в электрических схемах современных компьютеров.
Как видно из этих требований, разработка функционального кубита — это сложнейшая задача. Даже через четверть века после первых экспериментов ученым еще предстоит пройти долгий путь. Тем не менее, они добились значительного прогресса с 1990-х годов — отчасти благодаря плану, который Лосс опубликовал в 1998 году вместе с американским физиком Дэвидом Ди Винченцо. В нем двое ученых описали конкретный метод создания кубитов и их использования для создания квантового компьютера.
Сегодня публикация двух физиков является самой цитируемой научной статьей о квантовых вычислениях.
Спин электрона как компонент цепи
Сегодня публикация двух физиков является самой цитируемой научной статьей о квантовых вычислениях. Он служит основой для изучения и конструирования кубитов из полупроводниковых материалов в лабораториях ведущих университетов и промышленных компаний по всему миру. Среди ведущих исследовательских групп — твердотельные специалисты во главе с Лоссом. Их основная идея заключается в использовании спина электрона в качестве кубита. Это смелая идея — в конце концов, электрон чрезвычайно мал, а магнитное поле, связанное со спином, чрезвычайно слабо, и поэтому его трудно измерить. Однако, поскольку спин может указывать только «вверх» или «вниз», он имеет ровно два состояния. Более того, спин электрона подчиняется законам квантовой физики. Таким образом, эта система имеет идеальные предпосылки для того, чтобы служить фундаментальным строительным блоком квантового компьютера.
Чтобы спин электрона можно было использовать в качестве кубита, должен быть надежный способ не только определить, но и изменить его направление. Ученые надеются достичь этого, используя концепцию, известную как квантовая точка. Проще говоря, квантовая точка — это (выделенный) сферический объем, обычно диаметром одна десятитысячная миллиметра, расположенный внутри твердого тела. Свободный электрон (то есть не связанный внутри атома) «заперт» внутри сферы. Окружающее твердое тело состоит из слоев двух полупроводниковых материалов (таких как кремний и германий) и охлаждается до очень низкой температуры — всего на одну десятую градуса выше абсолютного нуля — а свободный электрон удерживается на месте с помощью электрических полей. В этой конфигурации спин электрона может электрически переключаться «вверх» и «вниз» и, следовательно, может использоваться для хранения одной из самых маленьких единиц информации (0/1).
Феноменальная сила
Двадцать лет назад создание кубита в виде квантовой точки было всего лишь смелым замыслом. За прошедшие годы это стало реальностью в различных материальных системах и конфигурациях. Теперь он также пользуется поддержкой таких компаний, как Intel. Чтобы использовать спин электрона внутри квантовой точки для обработки данных, должны быть выполнены два условия: суперпозиция двух спиновых состояний («вверх» и «вниз») должна сохраняться как можно дольше, и должна быть возможность изменения направление вращения очень быстро.
Исследователям удалось сохранить суперпозицию в течение одной миллисекунды и за это короткое время выполнить миллион процессов переключения с использованием электрических полей. «В результате кубиты работают на тактовой частоте в гигагерцовом диапазоне, как мы привыкли видеть в современных компьютерах», — говорит Лосс. «С квантовыми точками мы также можем запутать несколько кубитов, что является необходимым условием для объединения большого их количества в будущем для создания компьютера. Феноменальная производительность этого компьютера обусловлена его способностью выполнять арифметические операции параллельно благодаря квантовым физическим свойствам кубитов».
Еще три кандидата
В дополнение к квантовым точкам, изготовленным из полупроводниковых материалов, ученые в настоящее время обсуждают и тестируют еще три концепции производства кубитов: такие компании, как IBM и Google, хотят создавать кубиты из сверхпроводящих материалов, то есть из веществ, проводящих электричество. с нулевым сопротивлением при охлаждении до очень низкой температуры. Эти кубиты обеспечивают относительно быстрое переключение, но в настоящее время они примерно в 1000 раз больше, чем квантовые точки, сделанные из полупроводников.
Проф. Доктор Дэниел Лосс
профессор теоретической физики Базельского университета. В 2017 году он был удостоен Международной премии короля Фейсала в области науки.
Mehrere Forschungsgruppen Wollen Qubits auf der Grundlage gefangener Ionen (etwa Kalziumionen) herstellen. Diese haben den Vorteil, dass sie nochmals hundertmal kleiner sind als Quantenpunkte. Sie lassen sich allerdings nur träge schalten und können nicht kompakt zu Qubit-Clustern verbaut werden. Dies, weil die Ionen sehr weit voneinander platziert werden müssen, damit sie sich nicht gegenseitig unkontrolliert beeinflussen. Eine vierte Gruppe sind topologische Qubits, eine Combbination aus dem Halbleiter-und dem Supraleiter-Ansatz. Das Konzept steht noch am Anfang, aber Microsoft steckt viel Geld in die entsprechende Forschung.
Читайте также: