Если следить за новостями о квантовых вычислениях достаточно долго, может показаться, что любая квантовая система, способная переключаться между двумя хорошо разделенными энергетическими состояниями, может использоваться как кубит. Атомы, ионы, фотоны, электроны и искусственные устройства — у каждого есть свои сторонники. Одна из ключевых вещей, которая привлекает сторонников, — это способность технологии масштабироваться. Нам понадобится много высококачественных кубитов, чтобы начать выполнять сложные вычисления, и способность любой технологии обеспечить нас ими является предметом споров.

Так что даже если некоторые технологии теперь могут поддерживать тысячи кубитов, некоторые конкуренты все еще работают с горсткой кубитов — стоящие за ними компании убеждены, что у них есть потенциал масштабироваться более эффективно.

Одна из таких технологий включает квантовые точки, удерживающие один электрон. Их преимущество в том, что мы можем производить их с помощью той же технологии, что и традиционные процессоры, — подход, доказавший свою масштабируемость. На этой неделе вышли две новые статьи, описывающие разные способы использования квантовых точек, один из которых оказался настолько привлекательным, что IBM купила компанию, которая его разработала. Отдельно другая компания выпустила процессор, показывающий 100 отдельных электронов, удерживаемых в дефектах алмаза, — технология, которая не была очевидно масштабируемой.

Первая новость — публикация в Nature от компании HRL Laboratories, наследницы исследовательской программы, запущенной Говардом Хьюзом. HRL использует искусственные квантовые точки — технологию, отличную от точек, используемых в дисплеях, хотя она опирается на некоторые из тех же физических принципов. Оба подхода используют структуру, которая захватывает электроны в области, меньшей, чем длина волны электрона. В дисплеях это позволяет контролировать длину волны, которую излучает материал.

Для кубитов ловушки гораздо меньше и служат для удержания одного электрона на месте. Критически важно, что их можно производить; с правильной проводкой электромагнитные взаимодействия могут захватить один электрон в небольшом участке кремния. После захвата спин электрона, который может быть направлен вверх, вниз или находиться в суперпозиции, может использоваться как кубит. Хотя эта технология легко масштабируется — мы очень хороши в размещении проводки в кремнии в больших масштабах, — электронные спины трудно сохранять стабильными, и обычно ими управляют с помощью микроволн, что требует отдельной системы управления.

Но «обычно» не значит «всегда», и HRL описывает другую технологию. Она требует трех отдельных квантовых точек, каждая удерживает электрон, с окружающей электроникой, контролирующей, насколько спины этих трех электронов могут взаимодействовать. Это критически важно, потому что при определенных условиях никакие два электрона не могут иметь одинаковый спин. Это объясняет, почему атомные орбитали заполняются так, как они заполняются: каждый энергетический уровень вмещает только пару — один со спином вверх, другой со спином вниз. Возможность их взаимодействия может изменить их спины.

Чтобы выполнять операции на таком кубите, нужно просто контролировать, какие электроны взаимодействуют и в какой степени. Это контролируется электронно, что позволяет полностью отказаться от микроволн. Все управляется через проводку, устраняя необходимость в большом количестве микроволновых кабелей, ведущих в холодильную систему, которая поддерживает оборудование вблизи абсолютного нуля.

HRL посвящает большую часть статьи описанию своей системы управления, которая находится на промежуточном уровне охлаждения и состоит из традиционного процессора, оптимизированного для низкотемпературной и маломощной работы, потребляя менее 3,5 ватт, несмотря на производство по 130-нм техпроцессу. Инструкции для управления кубитами компилируются в другом месте, затем загружаются в контроллер, после чего он работает автономно. Связь с чипом, содержащим кубиты, осуществляется через сверхпроводящий ленточный кабель.

Система, описанная HRL, имела 18 кубитов, и компания запустила на ней простой код коррекции ошибок, продемонстрировав уровень логических ошибок менее 1 процента. Это значительно ниже того, что было достигнуто с другими технологиями, но это важное подтверждение.