Команда исследователей, возглавляемая директором Silicon Quantum Computing Pty Limited (SQC) профессором Мишель Симмонс, продемонстрировала, что они могут распространить свою технологию изготовления атомных кубитов на несколько слоев кристалла кремния - достигнув критического компонента архитектуры 3D-чипов, с точным выравниванием между слоями и высокоточным измерением спиновых состояний.

квантовый компьютер, квантовые кубиты, квантовый компьютер принцип, мишель симмонс
Профессор Мишель Симмонс впервые разработала мощную технологию для создания электронных устройств на кремнии с атомной точностью. Ее команда разработала первый в мире одноатомный транзистор, самые узкие в мире проводящие провода, и продемонстрировала способность кодировать информацию об отдельных атомах с рекордной точностью, спиновой релаксацией и когерентностью.  Планирует к 2022 году разработать прототип квантовой интегральной микросхемы с 10 кубитами в кремнии. В настоящее время SQC имеет параллельные платформы для создания квантового компьютера на основе кремния с использованием атомно-сконструированных доноров фосфора, квантовых точек с использованием технологии CMOS и гибридов

Что ж это за зверь такой – квантовый компьютер?

 

Итак, в классических вычислениях бит - это единичная часть информации, которая может существовать в двух состояниях - 1 или 0. Вместо этого в квантовых вычислениях используются квантовые биты, или «кубиты». Это квантовые системы с двумя состояниями. Однако, в отличие от обычного бита, они могут хранить гораздо больше информации, чем просто 1 или 0, потому что они могут существовать в любой суперпозиции этих значений.

 

С мая 2017 года первая в Австралии компания по производству квантовых компьютеров Silicon Quantum Computing Pty Limited (SQC) работает над созданием и коммерциализацией квантового компьютера на основе набора интеллектуальной собственности, разработанной в CQC2T (Австралийского центра передовых технологий в области квантовых вычислений и коммуникационных технологий) и используя свои разработки.

квантовый компьютер, квантовые кубиты, квантовый компьютер принцип, квантовый компьютер ibm
Квантовый компьютер IBM. Представляет собой огромный морозильник, который поддерживает температуру в устройстве 15 милликельвин (около абсолютных нулевых градусов и в 180 раз холоднее, чем температуры в межзвездном пространстве).
Электропроводка выполнена из сверхпроводящих коаксиальных кабелей. Входы на компьютеры представляют собой микроволновые импульсы, которые манипулируют частицами, создающими сигнал. Затем этот сигнал интерпретируется операторами компьютеров.

Исследователи  CQC2T впервые показали, что они могут создавать кубиты атомной точности в трехмерном устройстве, что является  важнейшим шагом на пути к универсальному квантовому компьютеру, сообщает sciencedaily.com со ссылкой на статью на сайт nature.com.

 

Реально, впервые была продемонстрирована архитектура, в которой используются кубиты атомного масштаба, выровненные по контрольным линиям, которые, по сути, являются очень узкими связями внутри трехмерного проекта.

 

 

Более того, команда смогла выровнять различные слои в своем трехмерном устройстве с точностью до нанометра - и показала, что они могут считывать состояния кубита за один раз, то есть за одно измерение, с очень высокой точностью воспроизведения.

 

«Эта трехмерная архитектура устройства является значительным достижением для атомных кубитов в кремнии», - говорит профессор Симмонс, - «чтобы иметь возможность постоянно исправлять ошибки в квантовых вычислениях, важная веха в нашей области, вы должны быть в состоянии контролировать много кубитов параллельно».

 

Трехмерная архитектура считается важным этапом в разработке концепции создания крупномасштабного квантового компьютера. Статья в Nature Nanotechnology описывает, как была построена вторая плоскость управления, а точнее следующий слой поверх первого слоя кубитов.

 

Раньше считалось, что это невозможно сделать, потому что поверхность второго слоя становится очень шероховатой. Команда Симмонс продемонстрировала, что они могут выровнять эти несколько слоев с точностью до нанометра.

 

«Если вы напишите что-нибудь на первом кремниевом слое, а затем наложите кремниевый слой сверху, вам все равно нужно будет указать свое местоположение, чтобы выровнять компоненты на обоих слоях. Мы показали методику, которая позволяет добиться выравнивания в пределах до 5 нанометров!» - делится Мишель Симмонс.

 

Стратегия Silicon Quantum Computing Pty Limited обеспечивает формирование полностью кристаллического транзистора с использованием только двух атомных частиц: фосфора и кремния.

 

 

Почему же новость о трехмерной архитектуре квантовых чипов  - важное событие в области квантовых вычислений?

 

Уже давно Google, IBM и несколько стартапов стремятся создать суперкомпьютеры следующего поколения. Квантовые компьютеры, помогут решать такие проблемы, как моделирование сложных химических процессов.

квантовый компьютер, квантовые кубиты, квантовый чип
Квантовый чип от Google

В настоящее время компании и исследователи используют несколько различных подходов, чтобы попытаться создать самые мощные компьютеры, которые когда-либо видел мир.

 

Квантовые вычисления используют странную способность субатомных частиц существовать в более чем одном состоянии в любое время. Благодаря тому, как ведут себя мельчайшие частицы, операции можно выполнять гораздо быстрее и использовать энергии меньше, чем потребляют классические компьютеры.

 

Каждый классический электронный компьютер использует естественное поведение электронов для получения результатов в соответствии с булевой логикой (для любых двух конкретных входных состояний - одно определенное выходное состояние). Здесь основной единицей транзакции является двоичная цифра («бит»), состояние которой равно 0 или 1. В обычном полупроводнике эти два состояния представлены уровнями низкого и высокого напряжения внутри транзисторов.

квантовый компьютер, квантовые кубиты, квантовый чип ibm, квантовый компьютер ibm
Квантовый чип из четырех кубитов, представленный IBM. Архитектура чипа: Q - обозначения сверхпроводящих кубитов
квантовый компьютер, квантовые кубиты, квантовый чип intel
Квантовый чип Intel

При изготовлении квантовых чипов используются то же оборудование, что и при выпуске обычных процессоров. В них вместо транзисторов используются кубиты, которые содержат по одному электрону каждый. Электрон, который может одновременно находиться во множестве спиновых состояний, обеспечивает больше вычислительной мощности, чем транзисторы, что и является основой квантовой вычислительной техники. Спин электрона — квантовая характеристика (собственный момент импульса), которая порождает дополнительный магнитный момент, то есть приводит к дополнительному взаимодействию (по сравнению с классической электродинамикой) с магнитным полем.

 

Кубиты необыкновенно малы — ловушки для электронов достигают всего 50 нм в ширину. Их можно рассмотреть только в электронный микроскоп. В диаметре одного человеческого волоса может поместиться 1,5 тыс. таких кубитов.

 

 

Вместо транзисторов квантовые вычисления получают свои кубиты, бомбардируя атомы электрическими полями под перпендикулярными углами друг к другу, в результате чего выстраиваемые ионы удобно и эквивалентно разделяют их. Когда эти ионы разделены достаточным пространством, их орбитальные электроны становятся «домашними адресами», кубитов.

 

Особенность квантовых вычислений

 

В традиционном компьютерном процессоре транзистор либо «орел», либо «решка». Иначе говоря, бросив монету, мы получим один битНо если спросить, какой стороной смотрит монетка, когда крутится, вы скажете, что ответом может быть и то и другое. Именно так устроены квантовые вычисления. Вместо обычных битов, которые представляют 0 или 1 есть квантовый бит, который одновременно представляет и 0, и 1 до тех пор, пока кубит не перестанет вращаться и не войдет в состояние покоя.

 

Реальность такова, что кубиты, в конечном итоге прекращают вращаться и коллапсируют в определенное состояние, будь то орел или решка. Цель квантовых вычислений состоит в том, чтобы поддерживать их вращение в суперпозиции в множестве состояний длительное время. Шум, изменение температуры, электрическое воздействие или вибрация – все это может помешать работе кубита и привести к утрате его данных. Один из способов стабилизировать кубиты определенных типов – поддерживать их в холодном состоянии. Кубиты работают в холодильнике размером с бочку на 55 галлонов и используют специальный изотоп гелия для охлаждения почти до температуры абсолютного нуля. Кубиты чрезвычайно хрупкие, и некоторым нужна температура в 20 милликельвинов – в 250 раз холоднее, чем в глубоком космосе, – чтобы оставаться стабильными.

 

Что могут сделать квантовые компьютеры, а обычные - нет?

 

Квантовые компьютеры работают на принципах, совершенно отличных от существующих компьютеров, что делает их действительно хорошо подходящими для решения определенных математических задач, таких как поиск очень больших простых чисел. Поскольку простые числа так важны в криптографии, вполне вероятно, что квантовые компьютеры быстро смогут взломать многие системы, которые обеспечивают безопасность нашей онлайн-информации. Из-за этих рисков исследователи уже пытаются разработать технологию, устойчивую к квантовому взлому, и, с другой стороны, возможно, что квантовые криптографические системы будут гораздо более безопасными, чем их традиционные аналоги.

 

Ожидается использование  квантовых компьютеров для моделирования сложных химических реакций. В июле 2016 года инженеры Google впервые использовали квантовое устройство для моделирования молекулы водорода, и с тех пор IBM удалось смоделировать поведение еще более сложных молекул. В 2017 году Microsoft выпустила предварительную версию нового языка программирования для квантовых вычислений под названием Q# и симулятор для тестирования и отладки квантовых алгоритмов.

 

Китайское правительство строит национальную лабораторию квантовой информации в провинции Аньхой (рядом с Шанхаем) стоимостью 10 млрд. долл. и планируется открыть ее в 2020 году. Государственные исследования в области квантовых вычислений на данный момент составляют около 200 млн. долл. в год.

 

И вот свершилось!

 

На днях IBM продемонстрировала первый в мире коммерчески доступный интегрированный квантовый компьютер. Q System One теперь доступна для научных исследований и коммерческого использования, впервые предлагая надежные и стабильные возможности квантовых вычислений вне исследовательской лаборатории. Он готов иметь дело со сложными алгоритмами, ранее непонятными для традиционных бинарных компьютеров.

 

Интегрированная система квантовых вычислений IBM Q System One поставляется в защитном корпусе 9 футов x 9 футов, подходящем для Mona Lisa. Действительно, он построен из боросиликатного стекла той же компанией, которая защищает самую ценную картину в мире и драгоценности короны!  Этот воздухонепроницаемый корпус защищает все кубиты внутри от переворота из-за вибраций, скачков температуры и электромагнитных волн.

 

Квантовой революции быть?

 

В конце концов, исследователи надеются, что смогут использовать квантовое моделирование для создания совершенно новых молекул для использования в медицине и материаловедении. Например, помочь в создании нового катализатора для секвестрации углекислого газа, или разработать сверхпроводник, работающий при комнатной температуре, или открывать новые лекарства.

 

А еще остается святой Грааль для квантовых химиков - возможность смоделировать процесс Габера-Боша - способ искусственного производства аммиака, который все еще относительно неэффективен. Исследователи надеются, что, если они смогут использовать квантовую механику, чтобы выяснить, что происходит внутри этой реакции, они смогут найти новые способы производства.

 

Проблема квантовых вычислений заключается в том, что разработчикам необходимо создавать приложения для кубитов, поддерживать низкую температуру рабочей среды и создавать новые аппаратные архитектуры.

 

Эти проблемы, связанные с квантовыми вычислениями, означают, что  потребителям (пользователям) достижения  квантовой индустрии, скорее всего, будут доступны «как услуга» или в виде облачной модели. Хотя квантовые вычисления могут быть развернуты в корпоративных центрах обработки данных в какой-то момент, возврат инвестиций будет непростым делом, учитывая незрелость рынка.

 

Напоминаем Вам, что в нашем журнале "Наука и техника" Вы найдете много интересных оригинальных статей о развитии авиации, кораблестроения, бронетехники, средств связи, космонавтики, точных, естественных и социальных наук. На сайте Вы можете приобрести электронную версию журнала за символические 60 р/15 грн.

 

В нашем интернет-магазине Вы найдете также книгипостерымагнитыкалендари с авиацией, кораблями, танками.