Nové supravodiče by mohli robiť rýchlejšie kvantové počítače

Praktické kvantové počítače by mohli čoskoro prísť s hlbokými dôsledkami pre všetko od objavovania liekov až po lámanie kódu.

Vedci z Národného laboratória Oak Ridge sú krokom k vybudovaniu lepších kvantových strojov nedávno namerané elektrický prúd medzi atómovo ostrým kovovým hrotom a supravodičom. Táto nová metóda dokáže nájsť spojené elektróny s extrémnou presnosťou v pohybe, ktorý by mohol pomôcť odhaliť nové druhy supravodičov, ktoré nemajú elektrický odpor.

"Supravodivé obvody sú súčasným priekopníkom pri budovaní kvantových bitov (qubitov) a kvantových brán v hardvéri," Toby Cubitt, riaditeľ Phasecraft, spoločnosti, ktorá vytvára algoritmy pre kvantové aplikácie, povedal Lifewire v e-mailovom rozhovore. "Supravodivé qubity sú polovodičové elektrické obvody, ktoré môžu byť navrhnuté s vysokou presnosťou a flexibilitou."

Strašidelná akcia

Kvantové počítače využívajú skutočnosť, že elektróny môžu skákať z jedného systému do druhého vesmírom pomocou tajomných vlastností kvantovej fyziky. Ak sa elektrón spáruje s iným elektrónom priamo v bode, kde sa stretávajú kov a supravodič, môže vytvoriť to, čo sa nazýva Cooperov pár. Supravodič tiež uvoľňuje do kovu iný druh častíc, známy ako Andreevov odraz. Výskumníci hľadali tieto Andreevove odrazy, aby odhalili Cooperove páry.

Vedci z Oak Ridge merali elektrický prúd medzi atómovo ostrým kovovým hrotom a supravodičom. Tento prístup im umožňuje zistiť množstvo Andreevovho odrazu vracajúceho sa do supravodiča.

"Táto technika vytvára kritickú novú metodológiu na pochopenie vnútornej kvantovej štruktúry exotických typov supravodiče známe ako nekonvenčné supravodiče, ktoré nám potenciálne umožňujú riešiť množstvo otvorených problémov v kvantovom materiály, Jose Lado, odborný asistent na Aalto University, ktorá poskytla teoretickú podporu výskumu, uviedol v tlačovej správe.

Igor Zacharov, vedúci výskumný pracovník v Laboratóriu kvantového spracovania informácií, Skoltech v Moskve, povedal Lifewire e-mailom, že supravodič je stav hmoty, v ktorom elektróny pri vedení elektrického prúdu nestrácajú energiu rozptylom na jadrách a elektrický prúd môže tiecť nezmenšená.

"Zatiaľ čo elektróny alebo jadrá majú kvantové stavy, ktoré možno využiť na výpočty, supravodivý prúd sa správa ako makrokvantová jednotka s kvantovými vlastnosťami," dodal. "Preto obnovujeme situáciu, v ktorej možno na organizáciu použiť makrostav hmoty spracovanie informácií, pričom má zjavne kvantové efekty, ktoré mu môžu poskytnúť výpočtové výhodu."

Supravodivá budúcnosť

Supravodivé kvantové počítače v súčasnosti porážajú konkurenčné technológie, pokiaľ ide o veľkosť procesora, Cubittsaid. Google demonštroval tzv.kvantová prevaha“ na 53-qubitovom supravodivom zariadení v roku 2019. IBM nedávno spustila kvantový počítač so 127 supravodivými qubitmi a Rigetti oznámil 80-qubitový supravodivý čip.

"Všetky spoločnosti zaoberajúce sa kvantovým hardvérom majú ambiciózne plány na škálovanie svojich počítačov v blízkej budúcnosti," Cubittadded. „Bolo to spôsobené celým radom pokrokov v inžinierstve, ktoré umožnili vývoj sofistikovanejších návrhov a optimalizácie qubitov. Najväčšou výzvou pre túto konkrétnu technológiu je zlepšenie kvality brán, t. j. zlepšenie presnosti, s ktorou môže procesor manipulovať s informáciami a spúšťať výpočty."

Lepšie supravodiče môžu byť kľúčom k výrobe praktických kvantových počítačov. Michael Biercuk, generálny riaditeľ kvantovej počítačovej spoločnosti Q-CTRL, povedal v e-mailovom rozhovore, že najaktuálnejšie kvantové výpočtové systémy využívajú zliatiny nióbu a hliník, v ktorých bola v 50. rokoch objavená supravodivosť a 60. rokoch 20. storočia.

„Jedna z najväčších výziev v kvantovej výpočtovej technike sa dnes týka toho, ako môžeme supravodiče dosiahnuť ešte lepší výkon,“ dodal Biercuk. „Napríklad nečistoty v chemickom zložení alebo štruktúre uložených kovov môžu spôsobiť zdroje hluku a degradácia výkonu v kvantových počítačoch – tieto vedú k procesom známym ako dekoherencia, v ktorých je „kvantovosť“ systému stratený."

Kvantové výpočty si vyžadujú jemnú rovnováhu medzi kvalitou qubitu a počtom qubitov, vysvetlil Zacharov. Zakaždým, keď qubit interaguje s prostredím, napríklad prijíma signály na „programovanie“, môže stratiť svoj zamotaný stav.

„Zatiaľ čo vidíme malé pokroky v každom z naznačených technologických smerov, ich skombinovanie do dobre fungujúceho zariadenia je stále v nedohľadne,“ dodal.

„Svätý grál“ kvantových počítačov je zariadenie so stovkami qubitov a nízkou chybovosťou. Vedci sa nevedia zhodnúť na tom, ako dosiahnu tento cieľ, no jednou z možných odpovedí je použitie supravodičov.

"Zvyšujúci sa počet qubitov v kremíkovom supravodivom zariadení zdôrazňuje potrebu obra chladiace stroje, ktoré dokážu poháňať veľké prevádzkové objemy blízko absolútnej nulovej teploty,“ Povedal Zacharov.