Proliferarea calculatoarelor cuantice: De la vacanțe în diamant la autobuze de electroni, toată lumea vrea un qubit

Dacă urmărești știrile despre calculatoare cuantice suficient de mult, poate începe să pară că orice sistem cuantic care poate alterna între două stări energetice bine separate poate fi folosit ca qubit. Atomii, ionii, fotonii, electronii și dispozitivele fabricate au toți susținătorii lor. Unul dintre lucrurile cheie care atrage susținători este capacitatea tehnologiei de a se scala. Vom avea nevoie de o mulțime de qubiți de înaltă calitate pentru a începe să facem calcule complexe, iar capacitatea oricărei tehnologii de a ne duce acolo este subiect de dezbatere.

Așadar, chiar dacă unele tehnologii pot suporta acum mii de qubiți, unii concurenți încă lucrează cu o mână mică de qubiți - companiile din spatele lor sunt convinse că au potențialul de a scala mai eficient.

Una dintre aceste tehnologii implică puncte cuantice care țin un singur electron. Avantajul lor este că le putem fabrica folosind aceeași tehnologie pe care o folosim pentru a construi procesoare tradiționale, o abordare care s-a dovedit a fi scalabilă. Săptămâna aceasta au apărut două noi lucrări care descriu moduri diferite de a folosi puncte cuantice, dintre care una a fost suficient de atractivă încât IBM a cumpărat compania care a dezvoltat-o. Separat, o altă companie a lansat un procesor care arată 100 de electroni individuali ținuți în defecte de diamant, o tehnologie despre care nu era evident că poate scala.

Prima veste vine dintr-o publicație în Nature de la o companie numită HRL Laboratories, descendentul programului de cercetare lansat de Howard Hughes. HRL folosește puncte cuantice fabricate, o tehnologie distinctă de punctele folosite în display-uri, deși se bazează pe unele dintre aceleași principii fizice. Ambele abordări folosesc o structură care captează electroni într-o regiune mai mică decât lungimea de undă a electronului. În display-uri, acest lucru permite controlul lungimii de undă pe care o emite materialul.

Pentru qubiți, capcanele sunt mult mai mici și servesc pentru a ține un singur electron în loc. Critic, ele pot fi fabricate; cu cablajul potrivit, interacțiunile electromagnetice pot capta un singur electron într-o mică porțiune de siliciu. Odată captat, spinul electronului, care poate fi sus, jos sau o suprapunere a celor două, poate fi folosit ca qubit. Deși această tehnologie poate scala ușor - suntem foarte buni la a pune cablaje în siliciu la scară - spinii electronilor sunt greu de menținut stabili și sunt de obicei controlați prin microunde, necesitând un sistem de control separat.

Dar „de obicei” nu înseamnă „întotdeauna”, iar HRL descrie o tehnologie diferită. Necesită trei puncte cuantice separate, fiecare ținând un electron, cu electronica din jur controlând cât de mult pot interacționa spinii acestor trei electroni. Acest lucru este critic deoarece, în anumite condiții, nici doi electroni nu pot avea același spin. Aceasta explică de ce orbitalii atomici se umplu așa cum o fac, fiecare nivel de energie ținând doar o pereche, unul cu spin sus, celălalt cu spin jos. Permiterea lor de a interacționa le poate altera spinii.

Pentru a efectua operații pe acest tip de qubit, trebuie pur și simplu să controlezi care electroni interacționează și în ce măsură. Acest lucru este controlat electronic, permițându-ne să eliminăm complet microundele. Totul este gestionat prin cablaje, eliminând necesitatea multor cabluri purtătoare de microunde în sistemul de refrigerare care menține hardware-ul aproape de zero absolut.

HRL petrece o mare parte a lucrării descriind sistemul său de control, care se află la un nivel intermediar de refrigerare și constă dintr-un procesor tradițional optimizat pentru temperaturi scăzute și consum redus de energie, consumând mai puțin de 3,5 wați, deși este fabricat pe un proces de 130 nm. Instrucțiunile pentru operarea qubiților sunt compilate în altă parte, apoi încărcate în controler, după care acesta funcționează autonom. Comunicațiile cu cipul care ține qubiții sunt gestionate printr-un cablu ribbon supraconductor.

Sistemul descris de HRL avea 18 qubiți, iar compania a rulat un cod simplu de corectare a erorilor pe el, demonstrând o rată de eroare logică mai mică de 1%. Acest lucru este mult sub ceea ce s-a realizat cu altă tehnologie, dar este o validare importantă.