Джон П. Мелло младший
3 февраля 2021 г., 4:33 утра PT
Шаг к созданию мощных квантовых компьютеров нового поколения был сделан группой ученых и инженеров из Сиднейский университет, Microsoft и EQUS, Центр передового опыта Австралийского исследовательского совета по инженерным квантовым системам.
Команда, опубликовавшая свои выводы в выпуске журнала Nature Electronics за 25 января, изобрела криогенный компьютерный чип, способный работать при температурах, близких к абсолютному нулю, что может позволить создать новый урожай высокопроизводительных квантовых компьютеров, способных выполнять вычисления с тысячи кубитов или больше.
Кубиты являются квантовым эквивалентом битов, используемых в традиционных компьютерах. Поскольку кубиты не являются двоичными — они не обрабатывают информацию с помощью нулей и единиц — они способны работать намного быстрее. Однако по ряду причин квантовые компьютеры до сих пор могли вмещать только несколько десятков кубитов. Вот почему новый криочип под названием Gooseberry стал таким прорывом.
Чип из крыжовника (красный) находится рядом с тестовым чипом кубита (синий) и чипом резонатора (фиолетовый). [Credit: Microsoft]
«Если чип будет работать так, как предполагают исследователи, и его можно будет производить с минимальными затратами, конструкция может упростить и ускорить разработку более крупных квантовых систем», — Чарльз Кинг, главный аналитик Pund-IT, технологическая консультационная фирма из Хейворда, Калифорния, сообщила TechNewsWorld.
Главный исследователь EQUS профессор Дэвид Рейли объяснил в своем заявлении, что для реализации потенциала квантовых вычислений машинам потребуется работать с тысячами, если не миллионами кубитов.
«Самые большие в мире квантовые компьютеры в настоящее время работают всего с 50 или около того кубитами», — продолжил он. «Этот небольшой масштаб частично связан с ограничениями физической архитектуры, которая управляет кубитами».
«Наш новый чип снимает эти ограничения», — заявил он.
Содержание статьи
Ошибки зависания
Большинство квантовых систем требует, чтобы кубиты работали при температурах, близких к абсолютному нулю (-273,15 градуса Цельсия). Это не дает им потерять свою «квантовость», характер материи или света, необходимые квантовым компьютерам для выполнения своих специализированных вычислений.
«Окружающая среда может очень сильно влиять на кубиты», — пояснила Хизер Уэст, старший аналитик IDC.
«Когда на них влияют, могут быть внесены ошибки», — сказала она TechNewsWorld. «Понижение температуры окружающей среды до действительно низких температур помогает устранить ошибки».
«Чем больше у вас кубитов, — продолжила она, — тем выше производительность вашего компьютера. Проблема в том, что когда кубиты начинают работать друг с другом — процесс, называемый запутыванием — потому что они настолько нестабильны, что могут начать работать некорректно или декогерентно. По мере увеличения масштаба декогеренция увеличивается ».
Она добавила, что есть еще одно преимущество работать при близком к абсолютному нулю. «Чтобы достичь сверхнизких температур, вам нужно работать в вакууме, что помогает уменьшить воздействие окружающей среды на кубиты», — сказала она.
Позолоченное птичье гнездо
Как и в случае любого другого вычислительного устройства, квантовым устройствам для того, чтобы делать что-либо полезное, нужны инструкции. Это означает отправку и получение электронных сигналов от кубитов. При нынешней квантовой архитектуре для этого нужно много проводов.
«Современные машины создают красивый набор проводов для управления сигналами. Они выглядят как перевернутое позолоченное птичье гнездо или люстра», — сказал Рейли.
«Они красивые, но принципиально непрактичные», — продолжил он. «Это означает, что мы не можем масштабировать машины для выполнения полезных вычислений. Существует реальное узкое место ввода-вывода».
С Gooseberry все провода устранены. «Имея в качестве входных данных всего два провода, по которым передается информация, он может генерировать управляющие сигналы для тысяч кубитов», — заявил в своем заявлении старший инженер по аппаратному обеспечению Microsoft Кушал Дас, соавтор чипа
.
Рейли сравнил нынешнее состояние квантовых вычислений с этапом вычислений ENIAC в 1940-х годах, когда для выполнения чего-либо полезного компьютеру требовались помещения с системами управления.
«Наша отрасль, возможно, сталкивается с еще более серьезными проблемами, чтобы вывести квантовые вычисления за пределы стадии ENIAC», — сказал Рейли.
«Нам необходимо разработать очень сложные кремниевые чипы, работающие при 0,1 Кельвина», — продолжил он. «Это среда в 30 раз холоднее, чем глубокий космос».
Настоящая квантовая система управления
Работа при таких низких температурах означает, что система должна работать с невероятно низким энергопотреблением, — отметил Себастьян Паука, чье докторское исследование в Сиднейском университете использовалось для сопрягать квантовые устройства с микросхемой.
«Если мы попытаемся вложить в систему больше энергии, мы все перегреем», — пояснил он в своем заявлении.
Чтобы достичь своего результата, команда создала самую совершенную интегральную схему для работы при криогенных температурах.
«Мы сделали это, разработав систему, которая работает в непосредственной близости от кубитов, не нарушая их работы», — объяснил Рейли.
«Существующие системы управления кубитами удалены, так сказать, на несколько метров от места действия», — продолжил он. «Они существуют в основном при комнатной температуре».
«В нашей системе нам не нужно отрываться от криогенной платформы», — сказал он. «Чип находится рядом с кубитами. Это означает меньшую мощность и более высокую скорость. Это настоящая система управления квантовой технологией».
Гонка квантовых компьютеров
Кинг отметил, что квантовые вычисления все еще находятся в зачаточном состоянии. «Мы все еще находимся на начальной стадии как в плане создания коммерческих квантовых систем, так и в плане обучения программированию и работе с ними», — сказал он.
«Некоторые великие дела были достигнуты, но еще многое предстоит сделать, прежде чем квантовые вычисления станут коммерчески жизнеспособными», — добавил он.
Современные квантовые компьютеры в основном используются для решения задач оптимизации. «Эти проблемы можно найти практически в любой отрасли», — сказал Уэст
Ходан Омаар, политический аналитик Центра инноваций в области данных, аналитического центра, изучающего взаимосвязь данных, технологий и государственной политики в Вашингтоне, округ Колумбия, отметил, что в Японии квантовые компьютеры используются для оптимизации сбора мусора.
Тем временем Volkswagen использует квантовые вычисления для оптимизации выбора деталей для своих автомобилей. «Они показали, что использование квантового компьютера более рентабельно по сравнению с традиционным компьютером», — сказала она TechNewsWorld.
«Для небольшого набора приложений — в основном для задач оптимизации прямо сейчас — квантовые компьютеры показывают, что они лучше справляются с некоторыми видами задач», — сказала она.
«По мере совершенствования квантовых компьютеров, — добавил Уэст, — они будут использоваться для решения более сложных задач в таких областях, как химия и фармацевтика».
«Нам еще предстоит пройти долгий путь», она продолжила, «но когда мы доберемся туда, мы будем решать множество разных проблем».
Одна из этих проблем уже настраивает одну нацию против другой.
«Если страна сможет придумать, как построить квантовый компьютер, достаточно большой и достаточно безопасный, его можно использовать для взлома любого шифрования», — пояснил Омаар.
«Это привело к гонке квантовых компьютеров», — сказала она. «Если вы страна, вы должны участвовать в этой гонке, потому что, если другая страна выяснит это первой, у вас возникнет огромная проблема национальной безопасности». 
