Матриця з п'яти надпровідних кубітів - прототип майбутнього квантового процесора
Створення повністю функціонального квантового комп'ютера - це одна з головних завдань, над вирішенням якої б'ються численні групи вчених-фізиків та інженерів. На відміну від звичайних комп'ютерів, квантові комп'ютери використовують квантові біти (кубіти), які служать для зберігання та обробки інформації за допомогою деяких явищ квантової фізики. І якщо вченим вдасться реалізувати свої ідеї, то наступний квантовий комп'ютер буде демонструвати в мільйони разів більшу обчислювальну потужність при вирішенні завдань певного класу, ніж найпотужніші на сьогоднішній день суперкомп'ютери. Група дослідників з Каліфорнійського університету в Санта-Барбарі зробила момент появи реального квантового комп'ютера ще на крок ближче, вони продемонстрували створену ними матрицю з п'яти надпровідних квантових бітів, яка володіє дуже високим показником надійності зберігання та обробки квантової інформації і яку можна розглядати як прототип найпростішого квантового процесора.
Реалізація технологій квантових обчислень є далеко не простою справою. Основним явищем, яке використовується для реалізації квантових обчислень, є явище квантової суперпозиції. Мається на увазі, що будь-який фізичний об'єкт малих розмірів, наприклад, атом або електрон, може зберігати у вигляді свого квантового стану інформацію, при цьому, існує така ситуація, коли кубіт може мати всі теоретично можливі квантові стани, і ця особливість дозволяє реалізувати абсолютно нові види паралельної обробки інформації.
"Але апаратні засоби квантових обчислювальних систем вельми ненадійні в порівнянні з апаратними засобами класичних обчислювальних систем" - розповідає Остін Фоулер (Austin Fowler), вчений-фізик з Каліфорнійського університету, - "І навіть найкращі на сьогоднішній день апаратні засоби квантових систем демонструють дуже низький рівень надійності зберігання та обробки інформації. Нашою роботою ми демонструємо, що необхідний рівень надійності роботи квантової обчислювальної системи все ж може бути досягнутий, нехай, і не самим простим шляхом".
Вчені припустили, що для того, щоб забезпечити прийнятний рівень похибки, квантові біти матриці, виконують логічні операції, повинні працювати на енергетичному рівні, який завжди нижче певного порогу. Цього їм вдалося досягти за рахунок реалізації складної геометрії власне квантових бітів і їх взаємного розташування. Кубіти, які отримали назву Xmon, мають крестовідную структуру, охолоджуються до точки критичної температури, до моменту, коли матеріал кубітів переходить в надпровідний стан і втрачає магнітні властивості. Кубіти розташовані в один ряд таким чином, що кожен з кубітів пов'язаний з одним або двома сусідніми кубітами.
Взаємне розташування кубітів, яке визначає архітектуру цього найпростішого квантового процесора, було розраховано теоретично за допомогою методу, званого кодуванням поверхні Фоулера. "Виявилося Для нас свого роду несподіванкою, що теоретичні розрахунки дали нам досить просту геометрію розташування квантових бітів" - розповідає Остін Фоулер, - "Набагато складніше було розробити і реалізувати технології з'єднання кубітів в єдине ціле і управління їх квантовим станом".
"Однак, для того, щоб отримати реальний квантовий комп'ютер, нам потрібно двомірна матриця з кубітів, при цьому, рівень помилок не повинен перевищувати одного відсотка" - розповідає Фоулер, - "Наші кубіти демонструють допустимий рівень помилок, який знаходиться в діапазоні від 10^-3 до 1 відсотка, і це говорить про те, що наша технологія є життєздатною. Але, на жаль, нам належить вирішити ще цілий ряд проблем, причому, і досить складних, перш ніж ми створимо двомірну матрицю з кубітів. Нам вселяє оптимізм те, що при цьому всі фізичні процеси, які вже досить добре нами вивчені, абсолютно не зміняться".