Nowe nadprzewodniki mogą przyspieszyć komputery kwantowe

Praktyczne komputery kwantowe mogą wkrótce pojawić się z głębokimi implikacjami dla wszystkiego, od odkrywania leków po łamanie kodów.

W ramach kroku w kierunku budowy lepszych maszyn kwantowych naukowcy z Oak Ridge National Laboratory ostatnio zmierzone prąd elektryczny między atomowo ostrą metalową końcówką a nadprzewodnikiem. Ta nowa metoda umożliwia znajdowanie połączonych elektronów z niezwykłą precyzją w ruchu, który może pomóc w wykrywaniu nowych rodzajów nadprzewodników, które nie mają oporu elektrycznego.

„Obwody nadprzewodzące są obecnie liderem w budowaniu bitów kwantowych (kubitów) i bramek kwantowych w sprzęcie”

Toby Cubitt, dyrektor Phasecraft, firmy, która buduje algorytmy dla aplikacji kwantowych, powiedział Lifewire w e-mailowym wywiadzie. „Kubity nadprzewodzące to półprzewodnikowe obwody elektryczne, które można projektować z dużą dokładnością i elastycznością”.

Upiorna akcja

Komputery kwantowe wykorzystują fakt, że elektrony mogą przeskakiwać w przestrzeni z jednego układu do drugiego, wykorzystując tajemnicze właściwości fizyki kwantowej. Jeśli elektron połączy się z innym elektronem w miejscu, w którym spotykają się metal i nadprzewodnik, może utworzyć tak zwaną parę Coopera. Nadprzewodnik uwalnia również inny rodzaj cząsteczki do metalu, znany jako odbicie Andreeva. Naukowcy szukali odbić Andreeva, aby wykryć pary Coopera.

Naukowcy z Oak Ridge zmierzyli prąd elektryczny między atomowo ostrą metalową końcówką a nadprzewodnikiem. Takie podejście pozwala im wykryć wielkość odbicia Andreeva powracającego do nadprzewodnika.

„Ta technika ustanawia krytyczną nową metodologię zrozumienia wewnętrznej struktury kwantowej egzotycznych typów nadprzewodniki znane jako niekonwencjonalne nadprzewodniki, potencjalnie umożliwiające nam rozwiązywanie różnych otwartych problemów kwantowych materiały, Jose Lado, adiunkt na Uniwersytecie Aalto, który zapewnił teoretyczne wsparcie dla badań, powiedział w komunikacie prasowym.

Igor Zacharow, starszy naukowiec z Laboratorium Przetwarzania Informacji Kwantowej, Skoltech w Moskwie, powiedział Lifewire w e-mailu, że nadprzewodnik jest stan skupienia, w którym elektrony nie tracą energii rozpraszając się na jądrach podczas przewodzenia prądu elektrycznego i prąd może płynąć niesłabnący.

„Podczas gdy elektrony lub jądra mają stany kwantowe, które można wykorzystać do obliczeń, prąd nadprzewodzący zachowuje się jak jednostka makrokwantowa o właściwościach kwantowych” – dodał. „Dlatego odzyskujemy sytuację, w której makrostan materii może zostać wykorzystany do zorganizowania przetwarzanie informacji, podczas gdy ma wyraźnie efekty kwantowe, które mogą dać jej obliczeniową korzyść."

Nadprzewodnikowa przyszłość

Cubitts powiedział, że nadprzewodzące komputery kwantowe przewyższają obecnie konkurencyjne technologie pod względem wielkości procesora. Google zademonstrowało tzw.supremacja kwantowa” na 53-kubitowym urządzeniu nadprzewodzącym w 2019 r. IBM niedawno wprowadzony na rynek komputer kwantowy ze 127 kubitami nadprzewodzącymi oraz Rigetti ogłosił 80-kubitowy układ nadprzewodzący.

„Wszystkie firmy produkujące sprzęt kwantowy mają ambitne plany dotyczące skalowania swoich komputerów w najbliższej przyszłości” – Cubittadded. „Jest to spowodowane szeregiem postępów w inżynierii, które umożliwiły opracowanie bardziej wyrafinowanych projektów kubitowych i optymalizację. Największym wyzwaniem dla tej konkretnej technologii jest poprawa jakości bramek, czyli poprawa dokładności, z jaką procesor może manipulować informacjami i przeprowadzać obliczenia.”

Lepsze nadprzewodniki mogą być kluczem do stworzenia praktycznych komputerów kwantowych. Michał Biercuk, dyrektor generalny firmy zajmującej się obliczeniami kwantowymi Q-CTRL, powiedział w e-mailowym wywiadzie, że większość aktualnych kwantowych systemy komputerowe wykorzystują stopy niobu i aluminium, w których w latach 50. odkryto nadprzewodnictwo i 1960.

„Jednym z największych wyzwań w dzisiejszych obliczeniach kwantowych jest to, jak możemy sprawić, by nadprzewodniki działały jeszcze lepiej” – dodał Biercuk. „Na przykład zanieczyszczenia w składzie chemicznym lub strukturze osadzanych metali mogą powodować źródła hałasu i pogorszenie wydajności komputerów kwantowych — prowadzi to do procesów znanych jako dekoherencja, w których „kwantowość” systemu jest Stracony."

Obliczenia kwantowe wymagają delikatnej równowagi między jakością kubitu a liczbą kubitów, wyjaśnił Zacharov. Za każdym razem, gdy kubit wchodzi w interakcję ze środowiskiem, na przykład odbiera sygnały do ​​„programowania”, może utracić swój stan splątania.

„Chociaż widzimy niewielkie postępy w każdym ze wskazanych kierunków technologicznych, połączenie ich w dobrze działające urządzenie jest wciąż nieuchwytne” – dodał.

„Święty Graal” obliczeń kwantowych to urządzenie z setkami kubitów i niskim współczynnikiem błędów. Naukowcy nie mogą dojść do porozumienia, jak osiągną ten cel, ale jedną z możliwych odpowiedzi jest zastosowanie nadprzewodników.

„Wzrost liczby kubitów w krzemowym urządzeniu nadprzewodzącym podkreśla potrzebę giganta maszyny chłodzące, które mogą napędzać duże objętości operacyjne bliskie zera bezwzględnego temperatury, - powiedział Zacharow.