Nové supravodiče by mohly dělat rychlejší kvantové počítače

Praktické kvantové počítače by mohly brzy přijít s hlubokými důsledky pro vše od objevování léků až po prolamování kódu.

Výzkumníci z Oak Ridge National Laboratory jsou krokem k budování lepších kvantových strojů nedávno měřeno elektrický proud mezi atomově ostrým kovovým hrotem a supravodičem. Tato nová metoda dokáže najít spojené elektrony s extrémní přesností v pohybu, který by mohl pomoci detekovat nové druhy supravodičů, které nemají žádný elektrický odpor.

"Supravodivé obvody jsou současným průkopníkem při vytváření kvantových bitů (qubitů) a kvantových bran v hardwaru," Toby Cubitt, ředitel Phasecraft, společnosti, která vytváří algoritmy pro kvantové aplikace, řekl Lifewire v e-mailovém rozhovoru. "Supravodivé qubity jsou polovodičové elektrické obvody, které mohou být navrženy s vysokou přesností a flexibilitou."

Strašidelná akce

Kvantové počítače využívají toho, že elektrony mohou přeskakovat z jednoho systému do druhého vesmírem pomocí tajemných vlastností kvantové fyziky. Pokud se elektron spáruje s jiným elektronem přímo v místě, kde se setkávají kov a supravodič, může vytvořit to, co se nazývá Cooperův pár. Supravodič také uvolňuje další druh částic do kovu, známý jako Andreevův odraz. Vědci hledali tyto Andreevovy odrazy, aby detekovali Cooperovy páry.

Vědci z Oak Ridge měřili elektrický proud mezi atomově ostrým kovovým hrotem a supravodičem. Tento přístup jim umožňuje detekovat množství Andreevova odrazu vracejícího se do supravodiče.

"Tato technika zavádí kritickou novou metodologii pro pochopení vnitřní kvantové struktury exotických typů supravodiče známé jako nekonvenční supravodiče, které nám potenciálně umožňují řešit řadu otevřených problémů v kvantovém materiály, José Lado, odborný asistent na Aalto University, který poskytl teoretickou podporu výzkumu, uvedl v tiskové zprávě.

Igor Zacharov, vedoucí vědecký pracovník v laboratoři Quantum Information Processing Laboratory, Skoltech v Moskvě, řekl Lifewire e-mailem, že supravodič je stav hmoty, kdy elektrony při vedení elektrického proudu neztrácejí energii rozptylem na jádrech a elektrický proud může téci nezmenšená.

"Zatímco elektrony nebo jádra mají kvantové stavy, které lze využít pro výpočty, supravodivý proud se chová jako makrokvantová jednotka s kvantovými vlastnostmi," dodal. "Proto obnovujeme situaci, ve které může být makrostav hmoty použit k uspořádání." zpracování informací, přičemž má zjevně kvantové efekty, které mu mohou poskytnout výpočetní výhoda."

Supravodivá budoucnost

Supravodivé kvantové počítače v současnosti porážejí konkurenční technologie, pokud jde o velikost procesoru, Cubittsaid. Google předvedl tzv.kvantová nadvláda“ na 53-qubitovém supravodivém zařízení v roce 2019. IBM nedávno spustila kvantový počítač se 127 supravodivými qubity a Rigetti oznámil 80-qubitový supravodivý čip.

"Všechny společnosti zabývající se kvantovým hardwarem mají ambiciózní plány, jak škálovat své počítače v blízké budoucnosti," Cubittadded. „To bylo způsobeno řadou pokroků v inženýrství, které umožnily vývoj sofistikovanějších návrhů a optimalizace qubitů. Největší výzvou pro tuto konkrétní technologii je zlepšení kvality hradel, tedy zlepšení přesnosti, s jakou může procesor manipulovat s informacemi a provádět výpočty."

Lepší supravodiče mohou být klíčem k výrobě praktických kvantových počítačů. Michael Biercuk, generální ředitel kvantové výpočetní společnosti Q-CTRL, řekl v e-mailovém rozhovoru, že nejnovější kvantová výpočetní systémy využívají slitiny niobu a hliník, ve kterých byla v 50. letech objevena supravodivost a 60. léta 20. století.

„Jedna z největších výzev dnešního kvantového počítání se týká toho, jak můžeme supravodiče ještě zlepšit výkon,“ dodal Biercuk. „Například nečistoty v chemickém složení nebo struktuře uložených kovů mohou způsobit zdroje hluku a degradace výkonu v kvantových počítačích – to vede k procesům známým jako dekoherence, ve kterých je „kvantovost“ systému ztracený."

Kvantové výpočty vyžadují jemnou rovnováhu mezi kvalitou qubitu a počtem qubitů, vysvětlil Zacharov. Pokaždé, když qubit interaguje s prostředím, například přijímá signály pro „programování“, může ztratit svůj zapletený stav.

"I když vidíme malé pokroky v každém z naznačených technologických směrů, jejich zkombinování do dobře fungujícího zařízení je stále v nedohlednu," dodal.

„Svatý grál“ kvantového počítání je zařízení se stovkami qubitů a nízkou chybovostí. Vědci se nemohou shodnout na tom, jak tohoto cíle dosáhnou, ale jednou z možných odpovědí je použití supravodičů.

"Rostoucí počet qubitů v křemíkovém supravodivém zařízení zdůrazňuje potřebu obra chladicí stroje, které dokážou pohánět velké provozní objemy blízké absolutní nulové teplotě,“ řekl Zacharov.