Pētnieki izstrādājuši jauna veida savstarpēji savienotu arhitektūru kvantu skaitļošanas mikroshēmām. Tā paredzēta vienai no galvenajām pašreizējo kvantu procesoru problēmām — kubitiem ir grūti apmainīties ar kvantu informāciju, ja tie neatrodas tiešā tuvumā viens otram.

Pētījums 15. jūnijā publicēts žurnālā APL Quantum. Zinātnieki uzskata, ka izstrāde varētu pavērt ceļu liela mēroga kvantu skaitļošanai, tostarp mašīnām ar vairāk nekā miljonu kubitu.

Fononi kā kvantu informācijas “autobuss”

Problēmas risināšanai komanda izveidojusi Quantum Phononic Links jeb QPL — pieeju kubitu savienošanai lielā attālumā, izmantojot fononus. Tie ir kvazidaļiņas, kas pārnes vibrāciju enerģiju un šajā sistēmā kalpo kā informācijas nesēji.

“Viens no galvenajiem izaicinājumiem kvantu skaitļošanā ir kubitu savienojamība lielā attālumā,” paziņojumā sacīja Maksims Mironovs, Vorikas Universitātes Apvienotajā Karalistē pusvadītāju materiālu un ierīču asociētais profesors un pētījuma pirmais autors. “Mūsu darbs ievieš jaunu koncepciju, kurā fononi darbojas kā kvantu autobuss, ļaujot attāliem kubitiem apmainīties ar kvantu informāciju, vienlaikus pilnībā saglabājot saderību ar pusvadītāju tehnoloģiju.”

Salīdzinājumam — tradicionālās metodes, piemēram, virsmas akustiskie viļņi, kas ir augstas frekvences skaņas vibrācijas, prasa sarežģītāku konstrukciju un papildu aparatūru.

Silīcija un germānija prototips

Pētnieki norādīja, ka daudzsološākais ceļš uz lielas mērogojamības kvantu datoru, kurā varētu izmantot QPL, ir tā dēvētie pusvadītāju caurumu spina kubiti.

Šajā kontekstā “caurums” nozīmē elektrona trūkumu materiālā, taču tas var uzvesties kā daļiņa ar spina stāvokli. Spins tiek izmantots kvantu informācijas kodēšanai: datu vieninieki un nulles tiek attēlotas ar daļiņas spina stāvokļa virzienu.

Lai demonstrētu tehnoloģiju, zinātnieki izveidoja prototipu kvantu procesoram, kas sastāv no silīcija ar plānu germānija kristāla slāni. Specializēto materiālu viņi nodēvēja par uz spiedi deformētu germāniju uz silīcija jeb cs-GoS. Pēc pētnieku teiktā, germānijs kvantu skaitļošanai ir īpaši noderīgs, jo tā dabiskās īpašības samazina dekoherenci — kvantu informācijas zudumu ārējas ietekmes dēļ.

Caurumu spina kubitiem ir ilgs kvantu koherences laiks, proti, tie spēj salīdzinoši ilgi saglabāt kvantu informāciju, kā arī tie var sazināties, izmantojot vadības sistēmu elektriskos impulsus. Tomēr tiem ir grūti veidot savienojumus ar kubitiem, kas neatrodas tiešā tuvumā. Liela mēroga sistēmās šāda attālu kubitu kvantu savienošana ir būtiska, lai kvantu kļūdu labošanas paņēmieni varētu efektīvi darboties visā sistēmā.

QPL darbības princips un sasniedzamais attālums

Citas piedāvātās saziņas metodes lielā attālumā, piemēram, “lādiņa novirzīšana”, kurā kondensatori tiek pārvirzīti, lai mazinātu jutību pret lādiņa trokšņiem, vai virsmas akustiskie viļņi, saskaras ar mērogojamības ierobežojumiem. Tie attiecas gan uz sistēmu izmēru, gan spēju saglabāt koherenci.

QPL veido īpaši konstruēti fononiskie viļņvadi un dobumi, kas ierobežo un vada akustiskos režīmus uz spiedi deformētā germānija “kvantu iedobē”. Kvantu iedobe ir īpaši plāns slānis, kas darbojas kā vadotne.

Pētījumā uzmanība tika pievērsta kubitiem, kuru pamatā ir valences joslas caurumi — elektronu trūkums absolūtās nulles temperatūrā — un kuri izvietoti cs-GoS materiālā. Izmantojot QPL, pētnieki caur šo specializēto materiālu raidīja skaņai līdzīgas vibrācijas, lai pārnestu kvantu informāciju starp attāliem kubitiem.

Šā materiāla spina stāvokļi ir ļoti jutīgi pret kristālrežģa deformācijām. Tas ļauj precīzi kontrolēt spina stāvokļus un savienot tos ar vibrāciju enerģiju. Tādējādi spina stāvokli var atšķirt no elektronu ekvivalenta, kas paver iespēju izmantot fononisku savienošanu. Izmantotā metode ļāva tieši savienot fononus ar caurumu spiniem.

Izmantojot lēnu viļņu izplatīšanās ātrumu un īsu akustisko ierosmju viļņa garumu, QPL ļāva savienot kubitus, kas atradās mazāk nekā viena mikrometra attālumā, kā arī kubitus līdz 300 mm jeb 11,8 collu attālumā.

Iespējas hibrīdām kvantu sistēmām

Pētnieki uzsvēra, ka QPL varētu būt noderīgi ne tikai kvantu skaitļošanā. Fononu izmantošana savienojumu veidošanai piedāvā daudzpusīgu saskarni hibrīdām kvantu sistēmām — parastiem datoriem ar kvantu skaitļošanas funkcionalitāti.

Šāda pieeja varētu nodrošināt koherentu savienojumu starp pusvadītāju spina kubitiem un citām kvantu platformām, tostarp mākoņpakalpojumos balstītu kvantu skaitļošanu. Pētnieki secināja, ka fononiskās inženierijas un caurumu spina fizikas kombinācija padara cs-GoS par daudzsološu platformu nākamās paaudzes kvantu arhitektūrām, jo tā varētu apvienot koherentu savienošanu lielā attālumā ar integrāciju lielā mērogā.