Но создание квантовых компьютеров для крупномасштабных вычислений оказывается сложной задачей с точки зрения их архитектуры. Базовыми единицами квантового компьютера являются «квантовые биты» или «кубиты»."Обычно это атомы, ионы, фотоны, субатомные частицы, такие как электроны, или даже более крупные элементы, которые одновременно существуют в нескольких состояниях, что позволяет быстро получить несколько потенциальных результатов для больших объемов данных. Теоретическое требование к квантовым компьютерам состоит в том, чтобы они были организованы в двумерные (2D) массивы, где каждый кубит связан со своим ближайшим соседом и подключен к необходимым внешним линиям управления и устройствам. Когда количество кубитов в массиве увеличивается, становится трудно добраться до кубитов внутри массива с края.
Необходимость решения этой проблемы до сих пор привела к созданию сложных трехмерных (3D) систем проводки в нескольких плоскостях, в которых много проводов пересекаются, что делает их строительство серьезной инженерной проблемой.
Группа ученых из Токийского научного университета (Япония), Центра изучения новых материалов RIKEN (Япония) и Технологического университета (Сидней) во главе с профессором Джав-Шен Цай предлагает уникальное решение этой проблемы доступности кубита путем изменения архитектуры кубита. массив кубитов. «Здесь мы решаем эту проблему и представляем модифицированную сверхпроводящую микроархитектуру, которая не требует какой-либо технологии внешних линий 3D и возвращается к полностью планарной конструкции», – говорят они.
Это исследование было опубликовано в New Journal of Physics.
Ученые начали с квадратной решетки кубитов и вытянули каждый столбец в 2D-плоскости.
Затем они сложили каждый последующий столбец друг над другом, образуя двойной одномерный массив, называемый «билинейным» массивом. Это поставило все кубиты на передний план и упростило организацию необходимой системы проводки.
Система также полностью в 2D. В этой новой архитектуре некоторые межкубитовые проводки – каждый кубит также связан со всеми соседними кубитами в массиве – действительно перекрываются, но поскольку это единственные перекрытия в проводке, простые локальные трехмерные системы, такие как воздушные мосты в точки перекрытия достаточно, и система в целом остается в 2D. Как вы понимаете, это значительно упрощает его конструкцию.
Ученые оценили осуществимость этого нового устройства с помощью численной и экспериментальной оценки, в ходе которой они проверили, какая часть сигнала сохраняется до и после того, как он прошел через воздушный мост. Результаты обеих оценок показали, что эту систему можно построить и запустить с использованием существующей технологии и без какой-либо трехмерной компоновки.
Эксперименты ученых также показали им, что их архитектура решает несколько проблем, которые мешают трехмерным структурам: их сложно построить, есть перекрестные помехи или интерференция сигналов между волнами, передаваемыми по двум проводам, а хрупкие квантовые состояния кубитов могут ухудшаться. Новый псевдо-2D дизайн уменьшает количество пересечений проводов друг с другом, тем самым уменьшая перекрестные помехи и, как следствие, повышая эффективность системы.
В то время, когда крупные лаборатории по всему миру пытаются найти способы создания крупномасштабных отказоустойчивых квантовых компьютеров, результаты этого захватывающего нового исследования показывают, что такие компьютеры могут быть построены с использованием существующей технологии двумерных интегральных схем. «Квантовый компьютер – это информационное устройство, которое, как ожидается, намного превзойдет возможности современных компьютеров», – заявляет профессор Цай. Путешествие в этом направлении только началось с этого исследования, и профессор Цай в заключение говорит: «Мы планируем построить небольшую цепь для дальнейшего изучения и изучения возможности."