Физики придумали интегральную схему для квантового компьютера
Ученые из Австралии и Нидерландов предложили способ, с помощью которого можно построить интегральную схему (чип), объединяющую большое число кубитов. Кроме того, схема предполагает исправление ошибок, возникающих во время вычислений. Статья опубликована в Nature Communications.
Все квантовые компьютеры страдают от ошибок, возникающих во время вычислений и обмена информацией между кубитами и внешним миром. Сейчас ученые уже придумали, как бороться с этими ошибками, однако все способы коррекции ошибок требуют универсальной платформы, на которой можно разместить и связать между собой большое число кубитов (порядка ста миллионов). Для этого нужен некий аналог интегральной схемы, которая используется для объединения классических вычислительных элементов.
В данной статье группа ученых под руководством Менно Вельдхорста (Menno Veldhorst) из Университета Нового Южного Уэльса предложила способ, с помощью которого можно построить такую схему. За основу они взяли технологию КМОП (CMOS), используемую в подавляющем большинстве современных цифровых микросхем. В использованной технологии между слоем обычных транзисторов и слоем кубитов находится промежуточный слой из оксида кремния. Через него проходят металлические проводки, которые соединяют транзисторы с кубитами. Обмен информацией между частями схемы и связь с «внешним миром» осуществляется через еще один слой, расположенный над слоем транзисторов.
Кубиты в этой схеме представляют собой квантовые точки, в которых «хранятся» состояния одиночного спина. Считывание информации с кубита осуществляется с использованием спиновой блокады Паули, которая не дает электронам проходить через точку. На каждый кубит приходится шесть транзисторов, из-за особенностей схемы физический размер одного такого блока примерно равен 63×63 квадратных нанометра (хотя он не обязан быть квадратным). На данный момент некоторые компании уже могут производить достаточно маленькие транзисторы, чтобы уложиться в этот размер. Для удобства исправления ошибок ученые предложили объединить однокубитные блоки в модули по 480 штук.
Исправлять ошибки, возникающие во время квантовых вычислений, физики предложили с помощью метода поверхностных кодов (surface codes). В этом методе один кубит заменяется на шесть: два кубита отвечают за хранение информации и еще четыре – за обмен этой информацией с транзисторами. С помощью определенных операций схема копирует состояние одного из двух «кубитов памяти» в два «измерительных кубита», состояние которых считывается классическими методами и передается в другие части схемы. Это позволяет избежать разрушения квантового состояния при считывании информации непосредственно с «кубита памяти». Кроме того, схема постоянно сравнивает состояния двух «кубитов памяти», чтобы отслеживать случайно возникающие ошибки.
Кроме того, исследователи оценили, сколько тепла будет выделять при работе предложенная ими схема, то есть проверили, можно ли будет ее реализовать при текущем уровне технологий охлаждения. Оказалось, что при частоте операций порядка 0,1 мегагерц в каждой ячейке будет выделяться около 50 нановатт тепла. Существующие технологии охлаждения могут обеспечить отвод тепла около 500 нановатт на Кельвин от такой ячейки, то есть схему в принципе можно охладить до температуры 0,1 Кельвина. С другой стороны, для полноценной работы кубитов требуется температура порядка одного Кельвина. Получается, что поддерживать приемлемую для работы схемы температуру можно уже при текущем уровне технологий охлаждения.
На данный момент физики уже объединили кубиты разной природы в одну систему и научились исправлять ошибки, возникающие во время вычислений, с помощью дополнительного кубита. А самый сложный квантовый компьютер оперирует с 53 кубитами, в каком-то смысле он уже достиг квантового превосходства.
Дмитрий Трунин
Для этого физики упрятали почти четыре тонны жидкого ксенона под гору
Физики из коллаборации PandaX поделились результатами поиска следов электромагнитного взаимодействия обычной и темной материй. Для этого они искали отклонения в числе фотонов, рожденных в 3,7 тонны жидкого ксенона, от модельного предсказания. Отрицательный результат позволил наложить новые ограничения на все типы электромагнитных свойств гипотетических частиц. Исследование опубликовано в Nature. Поиск частиц темной материи — важнейшая задача, над которой физики и астрономы бьются уже почти век. Ее существование доказывают наблюдения за движением галактик и реликтовым излучением, но, несмотря на это, ученые до сих пор не понимают, из чего она состоит. Подробнее про темную материю читайте в материале «Невидимый цемент Вселенной». Среди прочего физики спорят, участвуют ли частицы темной материи в электромагнитном взаимодействии. Само определение «темная» подразумевает отрицательный ответ, однако, это может лишь значить, что такое взаимодействие слишком слабое, чтобы его могли зафиксировать общие наблюдения и эксперименты. Темная материя может состоять из миллизаряженных частиц или частиц с неточечным зарядом, либо частиц с малым электрическими или магнитными дипольными моментами, анапольными моментами и так далее. Поиск следов такого взаимодействия ведется на самых различных установках. Среди прочего, этим заняты физики из коллаборации PandaX-4T, работающие в зале B2 Китайской подземной лаборатории Цзиньпин. Ученые исследуют гипотетический процесс, при котором частица темной материи обменивается фотоном с ядром вещества. Модели предсказывают, что его итогом должно стать излучение, испущенное ускоренным ядром, и излучение, испущенное электронами, оторвавшимися от ядра. Чтобы отыскать такие пары сигналов, физики наполняли свой детектор 3,7 тонны жидкого ксенона, окруженного с двух сторон массивами фотоумножителей. При анализе данных, собранных за 86 дней измерений, ученые учитывали множество фоновых процессов: бета-распады прочих ядер, естественную радиоактивность материалов детектора, влияние солнечных нейтрино и так далее. В результате оказалось, что учета фоновых процессов достаточно, чтобы объяснить происхождение более тысячи событий, зарегистрированных установкой. Результат эксперимента накладывает ограничения на известные электромагнитные модели частиц темной материи в диапазоне масс от 20 до 40 гигаэлектронвольт. Так, из него следует, что зарядовый радиус этих частиц не превышает 1,9 × 10-10 фемтометра, миллизаряд — 1,9 × 10-10 заряда электрона, а электрический и дипольный моменты — 1,2 × 10-23 заряда электрона на сантиметр и 4,8 × 10-10 магнетона Бора, соответственно. Ограничению подвергся также анапольный момент: 1,6 × 10-33 квадратного сантиметра, что почти в три раза меньше, чем предел, полученных в предыдущем исследовании. В качестве иллюстрации авторы сравнили свои ограничения с таковыми для других распространенных заряженный частиц: нейтрона и нейтрино, полученными другими группами. Предел для зарядового радиуса темной частицы оказался на четыре порядка строже, чем у нейтрино, пределы электрического дипольного момента и анапольного момента заняли промежуточное положение между таковыми для нейтрона и нейтрино, а предел магнитного момента оказался на один порядок слабее нейтринного. Ранее мы писали про то, как предыдущая версия детектора PandaX-4T — PandaX-II, — наполненная 0,57 тонны жидкого ксенона, помогла ограничить самодействующую темную материю.
