Изобретен криогенный компьютерный чип, способный увеличить мощность квантовых вычислений до тысячи кубитов

Шаг к созданию нового поколения мощных квантовых компьютеров был сделан группой ученых и инженеров из Сиднейского университета, Microsoft и EQUS, Центра передового опыта Австралийского исследовательского совета по инженерным квантовым системам.

Команда, опубликовавшая свои выводы в выпуске журнала Nature Electronics за 25 января, изобрела криогенный компьютерный чип, способный работать при температурах, близких к абсолютному нулю, что может позволить создать новый тип высокопроизводительных квантовых компьютеров, способных выполнять вычисления с тысячами кубитов и даже больше.

Кубиты - это квантовый эквивалент битов, используемых в традиционных компьютерах. Поскольку кубиты не являются двоичными - они не обрабатывают информацию с помощью нулей и единиц - они способны работать намного быстрее. Однако по разным причинам квантовые компьютеры до сих пор могли вместить только несколько десятков кубитов. Вот почему новый криочип под названием Gooseberry стал таким прорывом.

Если чип будет работать так, как предполагают исследователи, и его можно будет производить с минимальными затратами, конструкция может упростить и ускорить разработку более крупных квантовых систем", - сказал Чарльз Кинг, главный аналитик Pund-IT, консультационной фирмы по технологиям, в Хейворде, Калифорния.

Главный исследователь EQUS профессор Дэвид Рейли объяснил в своем заявлении, что для реализации потенциала квантовых вычислений машинам потребуется управлять тысячами, если не миллионами кубитов.

"Самые большие в мире квантовые компьютеры в настоящее время работают всего с 50 или около того кубитами", - продолжил он. "Такой малый масштаб частично объясняется ограничениями физической архитектуры, которая управляет кубитами".

"Наша новая микросхема снимает эти ограничения", - заявил он.

Замораживание ошибок

Большинству квантовых систем требуется, чтобы кубиты работали при температурах, близких к абсолютному нулю (-273,15 градуса Цельсия). Это предотвращает потерю их "квантовости", характера материи или света, которые необходимы квантовым компьютерам для выполнения своих специализированных вычислений.

"Окружающая среда может сильно влиять на кубиты, - поясняет Хизер Уэст, старший аналитик IDC.

"Когда на них влияют, могут возникать ошибки", - сказала она в интервью. "Понижение температуры окружающей среды до действительно низких температур, помогает устранить ошибки".

"Чем больше у вас кубитов, - продолжила она, - тем лучше будет производительность вашего компьютера. Проблема в том, что, когда кубиты начинают работать друг с другом - процесс, называемый запутыванием, - поскольку они настолько нестабильны, то могут начать работать неправильно или декогерентно. По мере увеличения масштаба декогеренция увеличивается ".

Она добавила, что у работы, близкой к абсолютному нулю, есть еще одно преимущество. "Чтобы достичь сверхнизких температур, вам нужно работать в вакууме, что помогает уменьшить воздействие окружающей среды на кубиты", - сказала она.

Позолоченное птичье гнездо

Как и в случае с любым вычислительным устройством, квантовым устройствам нужны инструкции, чтобы делать что-нибудь полезное. Это означает отправку и получение электронных сигналов от кубитов. При нынешней квантовой архитектуре для этого нужно много проводов.

"Современные машины создают красивый набор проводов для управления сигналами. Они выглядят как перевернутое позолоченное птичье гнездо или люстра", - сказал Рейли.

"Они красивые, но принципиально непрактичные", - продолжил он. "Это означает, что мы не можем масштабировать машины для выполнения полезных вычислений. Существует реальное слабое место ввода-вывода".

С новым чипом все провода устранены. "Имея в качестве входных данных всего два провода, по которым передается информация, он может генерировать управляющие сигналы для тысяч кубитов", - сказал в заявлении старший инженер по аппаратному обеспечению Microsoft Кушал Дас, один из изобретателей чипа.

Рейли сравнил нынешнее состояние квантовых вычислений с этапом вычислений ENIAC в 1940-х годах, когда для выполнения чего-либо полезного компьютеру требовались помещения с системами управления.

"Наша отрасль сталкивается, возможно, с еще более серьезными проблемами, чтобы вывести квантовые вычисления за пределы стадии ENIAC", - сказал Рейли.

"Нам нужно разработать очень сложные кремниевые чипы, работающие при 0,1 Кельвина", - продолжил он. "Это среда в 30 раз холоднее, чем глубокий космос".

Настоящая квантовая система управления

"Работа при таких низких температурах означает, что система должна работать с невероятно низким энергопотреблением", - отметил Себастьян Паука, чье докторское исследование в Сиднейском университете использовалось для взаимодействия квантовых устройств с чипом.

"Если мы попытаемся добавить больше мощности в систему, мы все перегреем", - пояснил он в своем заявлении.

Чтобы добиться своего результата, команда создала самую совершенную интегральную схему для работы при криогенных температурах.

"Мы сделали это, разработав систему, которая работает в непосредственной близости от кубитов, не нарушая их работы", - пояснил Рейли.

"Существующие системы управления кубитами удалены, так сказать, на несколько метров от места действия", - продолжил он. "Они существуют в основном при комнатной температуре".

"В нашей системе нам не нужно отказываться от криогенной платформы", - сказал он. "Чип находится рядом с кубитами. Это означает меньшую мощность и более высокую скорость. Это настоящая система управления квантовой технологией".

Квантово-компьютерная гонка

Кинг отметил, что квантовые вычисления все еще находятся в зачаточном состоянии. "Мы все еще находимся на начальной стадии как в плане создания коммерческих квантовых систем, так и в изучении того, как программировать и работать с ними", - сказал он.

Сегодняшние квантовые компьютеры в основном используются для решения задач оптимизации. "Эти проблемы можно найти практически в любой отрасли, - сказал Уэст.

Ходан Омаар, политический аналитик из Центра инноваций в области данных, аналитического центра, изучающего пересечение данных, технологий и государственной политики в Вашингтоне, округ Колумбия, отметил, что в Японии квантовые компьютеры используются для оптимизации сбора мусора.

Тем временем Volkswagen использует квантовые вычисления для оптимизации выбора запчастей для своих автомобилей. "Они показали, что использование квантового компьютера более рентабельно по сравнению с традиционным компьютером", - говорит эксперт.

"По мере совершенствования квантовых компьютеров, - добавил Уэст, - они будут использоваться для решения более сложных задач в таких областях, как химия и фармацевтика".

"Нам еще предстоит пройти долгий путь, - продолжает эксперт, - но когда мы доберемся до него, мы будем решать множество различных проблем".

Одна из этих проблем уже сталкивает одну нацию с другой.

"Если страна сможет придумать, как построить достаточно большой и безопасный квантовый компьютер, его можно будет использовать для взлома любого шифрования", - пояснил Омаар.

Microsoft Volkswagen Вашингтон Университеты