Квантовые компьютеры решают исключительно сложные задачи, используя фундаментальные свойства так называемых квантов. Подобно классическим битам, для представления и обработки простых логических значений в них используются квантовые биты (кубиты). В отличие от двоичных классических битов, кубиты могут находиться в суперпозиции – комбинации двух состояний одновременно. Это явление, неexplainable законами классической физики, является основой квантовой механики и придает квантовым компьютерам огромный вычислительный потенциал. В настоящее время исследования сфокусированы на практической реализации кубитов. Одной из перспективных областей являются сверхпроводящие кубиты, которые благодаря своим сверхпроводящим свойствам сохраняют электромагнитные поля с очень долгим временем жизни. Для создания управляемой двухсостоятельной системы разрабатывается резонансная цепь.
Резонансная частота этой цепи обычно находится в СВЧ-диапазоне около 5 ГГц. Базовое состояние резонансной цепи соответствует логическому «нулю», а первое возбужденное состояние – логической «единице».
Систематическое управление этими двумя состояниями пока еще невозможно без дополнительных структур. В генераторах гармоник, таких как резонансные LC-цепи, всегда сохраняется одинаковое расстояние между двумя смежными энергетическими состояниями (гармоничность). Одним из побочных эффектов является неконтролируемое смещение резонансного СВЧ-сигнала в цепи из базового состояния в первое возбужденное состояние или из произвольного возбужденного состояния в следующее более высокое состояние. Нелинейные индуктивности могут нейтрализовать гармоничность. Переходы Джозефсона помогают создать два определенных энергетических состояния, которые можно использовать в качестве контролируемого кубита. Они дают переходу из базового состояния в первое возбужденное состояние характеристическую частоту, уникальную для данного перехода. Данное свойство имитирует переходы электронов атома, поэтому сверхпроводящие кубиты также известные как искусственные атомы.
Квантовое состояние очень неустойчиво. Рабочая температура сверхпроводящего кубита составляет около 10 милликельвинов или около –273 °C, что очень близко к абсолютному нулю. Это единственный способ поддержания теплового фона.
Сравнение бита и кубита
Энергетическим состоянием кубита можно управлять с помощью внешних СВЧ-сигналов. Сфера Блоха иллюстрирует данный процесс (справа на рис.). Логические состояния «единица» и «нуль» расположены на северном и южном полюсах сферы Блоха. Все прочие точки на поверхности сферы представляют состояние суперпозиции. Текущее состояние отображается так называемым вектором состояния. Взаимодействие с резонансным СВЧ-сигналом вызывает вращение вектора состояния в сфере Блоха.
Для выполнения зависимых вычислительных операций с кубитами требуется очень точное управление этим вращением на основе длительности импульса, амплитуды СВЧ-сигнала и огибающей управляющего импульса. Так называемая относительная фаза управляющего импульса оказывает влияние на ось вращения состояния кубита в сфере Блоха. Если на кубит воздействуют импульсы с одинаковой фазой, состояние всегда вращается, например, по оси Х. В случае фазового смещения импульса на 90° вектор состояния вращается по оси Y.
Требования к источникам сигналов
Генераторы сигналов произвольной формы являются надежными и универсальными источниками сигналов. Вместе с СВЧ-источниками и смесителями они позволяют генерировать импульсы с правильной частотой кубита. Путем точного регулирования фазы управляющего импульса в режиме реального времени и точного управления огибающими можно достигать любую требуемую точку на сфере Блоха в любой момент из любой начальной точки.
В отличие от традиционных вычислительных операций с высокой погрешностью, квантовые компьютеры основаны на точной калибровке управляющих импульсов. Даже минимальные отклонения во вращении (на 1% от вращения квантового состояния) могут приводить к изменению квантовой операции. Аналогичные ошибки происходят вследствие неточного управления фазой. В связи с этим приборы для управления квантовыми компьютерами должны иметь высокую устойчивость фазы и амплитуды. Фазы управляющих импульсов регулируются с помощью синфазных и квадратурных составляющих импульса, которые хранятся в генераторе сигналов произвольной формы.
Изображение сверхпроводящего кубита под микроскопом
Эти приборы имеют намного более широкие возможности, чем традиционные генераторы сигналов произвольной формы, и удовлетворяют некоторым особым требованиям к исследованиям в данной области. Управление фазами импульсов возможно непосредственно на приборе с помощью программируемых пользователем матриц логических элементов (FPGA), что существенно сокращает требуемый объем памяти. Даже очень сложные квантовые алгоритмы с тысячами операций могут быть сокращены до контролируемого набора основных операций. Не требуется хранение непрерывного сигнала в генераторе сигналов произвольной формы для каждого квантового алгоритма. Достаточно иметь набор основных операций и информацию о последовательности вывода. Специальные генераторы сигналов произвольной формы для исследований квантовых компьютеров уже поддерживают такие функции.
Две системы оказывают взаимное влияние друг на друга за счет взаимодействия кубита и резонатора (слева). В зависимости от состояния кубита (синяя и красная кривые) резонансная частота ωr смещается на определенный модуль χ.
Анализ сигналов для выбора квантовых состояний
Когда квантовый компьютер выполняет операцию, выбираются квантовые состояния кубитов и кубиты соединяются со считывающими резонаторами. Вследствие взаимодействия с кубитом происходит смещение резонансной частоты резонатора в зависимости от состояния кубита (см. рисунок). Путем стимулирования этого процесса без считывающего сигнала вблизи резонансной частоты можно определить состояние кубита на основе смещения амплитуды и фазы сигнала при передаче или отражении.
Новейшие достижения в квантовых технологиях делают возможной эффективную работу соответствующей управляющей электроники и квантового оборудования. Благодаря интеграции функций анализа сигналов непосредственно в приборы возможно наблюдение результатов квантовых алгоритмов в режиме реального времени. Передовые генераторы сигналов произвольной формы упрощают работу с квантовыми компьютерами таким же образом, как ассемблеры долгое время использовались в программировании компьютеров и машин. Одна из главных трудностей здесь заключается в синхронизации и координации сотен сигналов, которые требуются для работы крупных квантовых компьютеров.
Впервые удалось управлять спиновыми кубитами за границей дифракционного предела
Иллюстрация: Songtao Chen et al. / Science
Физики научились управлять спиновыми кубитами, расстояние между которыми не превышает дифракционный предел. Они использовали сложное оптическое и микроволновое излучение для измерения состояния кубитов и научились ими управлять с помощью переменного эффекта Штарка. Работа опубликована в журнале Science. Одна из возможных реализаций кубита — использование спиновых дефектов в кристаллах. Наличие дефектов всегда говорит о нарушении кристаллической структуры твердого тела. Из множества разных видов дефектов для реализации кубита подходит система из иона, который находится не на своем месте (не в узле кристаллической решетки) и вакансии (пустого узла).
Чаще всего такие дефекты можно получить ионным легированием, если бомбардировать бездефектный кристалл ионами другого вещества. Спиновыми дефекты называются из-за того, что помимо ионов они состоят из электронов с определенным значением спина. Именно положение спина этого электрона используется для кодирования информации. В настоящее время, один из самых популярных материалов для реализации спиновых кубитов — алмаз с азотными вакансиями, которые называют NV-центрами (N — азот, V — вакансия).
Songtao Chen et al. / Science. (a) дефекты в волноводе, разные цвета говорят о том, что каждый дефект поглощает и излучает свет на своей длине волны, (b) спектр фотолюминесценции всего образца, острые пики – излучение дефектов, отмечены два иона, на которых проводились эксперименты по инициализации и измерениям, (c) схема расщепления энергетических уровней кубита, A и B – переходы оптические без изменения спина, C и D – нежелательные переходы, их вероятность мала, MW – микроволновые переходы с изменением спина, (d) то, как расщепляются уровни с увеличением магнитного поля
Как и любые кубиты на дефектах, они отличаются стабильностью, особенно в сравнении с другими платформами для квантовых вычислений (на нейтральных атомах или ионах, например). Однако, для реализации сложных логических операции необходимо, чтобы дефекты-кубиты сильно взаимодействовали друг с другом. Технически это означает, что они должны располагаться очень близко. Такую структуру сложно не только реализовать, но и исследовать.
Ученые из Принстонского университета под руководством Джефа Томпсона (Jeff D. Thompson) на примере ионов эрбия в кристалле иттриевого ортосиликата показали, что можно управлять и измерять даже очень близкорасположенные кубиты.
При облучении светом определенной длины волны дефекты начинают люминесцировать. Для того чтобы усилить интенсивность излучения от дефектов, ученые поместили систему в резонатор. Интересно, что длины волн накачки для каждого дефекта в одном и том же кристалле немного отличаются. Это помогает различать дефекты вне зависимости от того, на каком расстоянии друг от друга они располагаются. Достаточно просто измерить спектр излучения от всего кристалла при разных длинах волн и подобрать длину волны накачки под каждый отдельный дефект. По спектру люминесценции авторы выбрали два кубита, на которых продемонстрировали процессы инициализации и измерения.
Помимо тестирования двух дефектов в отдельности, ученые научились управлять четырьмя кубитами одновременно и показали реализацию универсального однокубитного гейта.
Для дальнейших работ и создания более масштабных и сложных вычислителей, авторы планируют использовать другой материал в качестве кристалла и совершенствовать технологию изготовления структур.
Несмотря на то, что по масштабности исследований, спиновые кубиты уступают вычислителям на нейтральных атомах, ионах или сверхпроводниках, они продолжают показывать новые интересные результаты. Из-за удобства интеграции систем на кристаллических дефектах, физикам удалось собрать 128-кубитный чип на фотонной интегральной схеме. А американские ученые научились управлять дефектами в алмазе с помощью звука.
Автор: Оксана Борзенкова
Источники: https://nplus1.ru/, https://www.rohde-schwarz.com/
