Физики придумали интегральную схему для квантового компьютера

Tony Melov / UNSW

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

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.