Новые сверхпроводники могут сделать квантовые компьютеры быстрее

Вскоре могут появиться практические квантовые компьютеры, которые будут иметь огромное значение для всего, от открытия лекарств до взлома кодов.

Исследователи из Национальной лаборатории Ок-Риджа сделали шаг к созданию более совершенных квантовых машин. недавно измеренный электрический ток между атомарно острым металлическим наконечником и сверхпроводником. Этот новый метод может найти связанные электроны с чрезвычайной точностью, что может помочь обнаружить новые виды сверхпроводников, которые не имеют электрического сопротивления.

«Сверхпроводящие схемы в настоящее время являются лидерами для создания квантовых битов (кубитов) и квантовых вентилей в аппаратном обеспечении».

Тоби Кубитт, директор Phasecraft, компании, которая создает алгоритмы для квантовых приложений, сказал Lifewire в интервью по электронной почте. «Сверхпроводящие кубиты — это твердотельные электрические схемы, которые можно проектировать с высокой точностью и гибкостью».

Жуткое действие

Квантовые компьютеры используют тот факт, что электроны могут перепрыгивать из одной системы в другую через пространство, используя таинственные свойства квантовой физики. Если электрон соединяется с другим электроном прямо в точке, где встречаются металл и сверхпроводник, может образоваться так называемая куперовская пара. Сверхпроводник также испускает в металл частицы другого типа, известные как андреевские отражения. Исследователи искали эти андреевские отражения, чтобы обнаружить куперовские пары.

Ученые из Ок-Риджа измерили электрический ток между атомарно острым металлическим наконечником и сверхпроводником. Этот подход позволяет им определить величину андреевского отражения, возвращающегося к сверхпроводнику.

«Эта техника устанавливает критически важную новую методологию для понимания внутренней квантовой структуры экзотических типов сверхпроводники, известные как нетрадиционные сверхпроводники, потенциально позволяющие нам решать множество открытых проблем в квантовой материалы, Хосе Ладо, доцент Университета Аалто, который оказал теоретическую поддержку исследованию, говорится в пресс-релизе.

Игорь Захаров, старший научный сотрудник Лаборатории квантовой обработки информации Сколтеха в Москве, сообщил Lifewire по электронной почте, что сверхпроводник — это состояние вещества, при котором электроны не теряют энергию при рассеянии на ядрах при проведении электрического тока и может протекать электрический ток неослабевающий.

«В то время как электроны или ядра имеют квантовые состояния, которые можно использовать для вычислений, сверхпроводящий ток ведет себя как макроквантовая единица с квантовыми свойствами», — добавил он. «Поэтому мы возвращаемся к ситуации, в которой макросостояние материи может быть использовано для организации обработки информации, в то время как она имеет явно квантовые эффекты, которые могут дать ей вычислительную преимущество."

Сверхпроводящее будущее

По словам Кубитца, сверхпроводящие квантовые компьютеры в настоящее время превосходят конкурирующие технологии по размеру процессора. Google продемонстрировал так называемую "квантовое превосходство" на 53-кубитном сверхпроводящем устройстве в 2019 году. IBM недавно запустила квантовый компьютер со 127 сверхпроводящими кубитами и Ригетти объявил 80-кубитный сверхпроводящий чип.

«У всех компаний, производящих квантовое оборудование, есть амбициозные планы по масштабированию своих компьютеров в ближайшем будущем», — добавил Кубиттад. «Это было обусловлено рядом технических достижений, которые позволили разработать более сложные конструкции кубитов и оптимизировать их. Самой большой проблемой для этой конкретной технологии является улучшение качества вентилей, то есть повышение точности, с которой процессор может манипулировать информацией и выполнять вычисления».

Лучшие сверхпроводники могут стать ключом к созданию практических квантовых компьютеров. Майкл Бирчук, генеральный директор компании квантовых вычислений Q-CTRL, сказал в интервью по электронной почте, что самые последние квантовые вычисления вычислительные системы используют ниобиевые сплавы и алюминий, в которых сверхпроводимость была обнаружена в 1950-х годах и 1960-е годы.

«Одна из самых больших проблем в квантовых вычислениях сегодня связана с тем, как мы можем заставить сверхпроводники работать еще лучше», — добавил Биркук. «Например, примеси в химическом составе или структуре наплавленных металлов могут стать источниками шума и снижение производительности квантовых компьютеров — это приводит к процессам, известным как декогеренция, в которых «квантовость» системы снижается. потерял."

По словам Захарова, квантовые вычисления требуют тонкого баланса между качеством кубита и количеством кубитов. Каждый раз, когда кубит взаимодействует с окружающей средой, например, получает сигналы для «программирования», он может терять свое запутанное состояние.

«Хотя мы видим небольшие подвижки в каждом из указанных технологических направлений, объединить их в хорошее работающее устройство по-прежнему трудно», — добавил он.

«Святой Грааль» квантовых вычислений — это устройство с сотнями кубитов и низким уровнем ошибок. Ученые не могут договориться о том, как они достигнут этой цели, но один из возможных ответов — использование сверхпроводников.

«Растущее число кубитов в кремниевых сверхпроводящих устройствах подчеркивает потребность в гигантских охлаждающие машины, способные управлять большими рабочими объемами при температуре, близкой к температуре абсолютного нуля». — сказал Захаров.