Исследователи из Принстонского университета представили значительный шаг вперед на пути к созданию практических квантовых компьютеров. Об этом сообщает princeton.edu.
Команда инженеров разработала сверхпроводящий кубит, который демонстрирует время жизни, втрое превышающее показатели существующих аналогов. Это открытие может ускорить развитие технологии, открывая двери для решения задач, недоступных для современных вычислительных машин.
«Главная проблема, мешающая нам сегодня получить полезные квантовые компьютеры, заключается в том, что информация, хранящаяся в кубите, сохраняется очень недолго», — пояснил Эндрю Хоук, руководитель национального исследовательского центра квантовых технологий, декан инженерного факультета Принстона и один из ведущих авторов исследования. «Это следующий большой скачок вперед».
В статье, опубликованной 5 ноября в авторитетном научном журнале Nature, команда Принстона сообщила, что их новый кубит способен сохранять свою когерентность более 1 миллисекунды. Этот показатель в три раза превосходит лучшее время, зафиксированное ранее в лабораторных условиях, и почти в 15 раз превышает отраслевой стандарт для крупномасштабных процессоров. Для подтверждения эффективности своей разработки исследователи собрали полностью функционирующий квантовый чип на основе нового кубита. Это решение одной из ключевых проблем, препятствующих эффективной коррекции ошибок и масштабируемости промышленных квантовых систем.
Разработка нового кубита по своей архитектуре схожа с теми, что используются ведущими компаниями, такими как Google и IBM, что позволяет легко интегрировать ее в существующие процессоры. По словам Хоука, замена компонентов в лучшем квантовом процессоре Google, известном как Willow, на разработку Принстона позволила бы улучшить его производительность в 1000 раз. Более того, преимущества нового кубита растут экспоненциально с увеличением числа элементов в системе, поэтому добавление большего количества кубитов принесет еще более значительный эффект.
Современные квантовые компьютеры обладают потенциалом для решения задач, которые не под силу обычным компьютерам. Однако текущие версии находятся на ранних стадиях разработки и имеют существенные ограничения. Основная причина заключается в том, что базовый элемент квантовых компьютеров, кубит, теряет свое состояние до того, как системы успевают выполнить полезные вычисления. Увеличение времени жизни кубита, или времени когерентности, является критически важным для выполнения сложных операций. Разработка принстонских инженеров представляет собой самый значительный прогресс во времени когерентности за последнее десятилетие.
«Этот прорыв выводит квантовые вычисления из области возможного в область практического применения», — отметил Хоук. «Теперь мы можем начать добиваться прогресса гораздо быстрее. Вполне возможно, что к концу десятилетия мы увидим научно значимый квантовый компьютер».
Хотя инженеры исследуют различные технологии для создания кубитов, принстонская версия основана на типе схемы, известном как трансмон-кубит. Трансмон-кубиты, используемые в разработках таких компаний, как Google и IBM, представляют собой сверхпроводящие схемы, работающие при экстремально низких температурах. Их преимущества включают относительно высокую устойчивость к внешним помехам и совместимость с современными производственными процессами электроники.
Однако увеличение времени когерентности трансмон-кубитов оказалось чрезвычайно сложной задачей. Недавние исследования Google показали, что основное ограничение при улучшении их новейших процессоров связано с качеством материалов, используемых для изготовления кубитов.
Команда Принстона применила двухсторонний подход к перепроектированию кубита. Во-первых, они использовали металл под названием тантал, чтобы помочь хрупким схемам дольше сохранять энергию. Во-вторых, они заменили традиционную сапфировую подложку высококачественным кремнием — стандартным материалом в индустрии вычислительной техники. Для выращивания тантала непосредственно на кремнии команде пришлось преодолеть ряд технических трудностей, связанных с внутренними свойствами этих материалов.