Микроволновки — для еды, а не для квантов. Физики решили главную проблему перегрева суперкомпьютеров

Квантовые компьютеры работают на принципах квантовой механики и в перспективе могут решать задачи, которые недоступны даже самым мощным классическим суперкомпьютерам. Вместо привычных битов с состояниями 0 и 1 они используют кубиты — квантовые биты, которые могут находиться сразу в нескольких состояниях одновременно, в так называемой суперпозиции.

Один из популярных вариантов реализации кубитов — так называемые квантовые точки в полупроводниках. Это крошечные области, в которых можно «поймать» и удерживать отдельные носители заряда. Большинство современных квантовых процессоров на таких кубитах управляются с помощью высокочастотных электрических сигналов, то есть микроволн, а не низкочастотных базовых сигналов.

Однако микроволновое управление создаёт серьёзные проблемы. Высокочастотные сигналы вызывают перекрёстные помехи между соседними проводами и кубитами, а также выделяют заметное количество тепла. В масштабах нанометровых структур это превращается в большую инженерную головную боль и сильно усложняет масштабирование квантовых процессоров до тысяч и миллионов кубитов.

Исследователи из QuTech и Технологического университета Делфта предложили новый тип кубита, который потенциально упрощает массовое наращивание квантовых чипов. В работе, опубликованной в журнале Physical Review Letters, они описывают кубит на основе спинов дырок, локализованных в полупроводниковых наноструктурах. Главное отличие — таким кубитом можно управлять с помощью обычных низкочастотных электрических импульсов.

По словам первого автора работы Максимилиана Римбах-Русса, цель исследования была очень приземлённой: с инженерной точки зрения сделать квантовое «железо» проще и практичнее. Команда задала себе вопрос: если классические транзисторы произвели революцию благодаря простоте использования и масштабируемости, можно ли добиться похожего уровня простоты для квантовых устройств? Кубиты по определению сложнее обычных битов, но исследователи пошли путём изменения самих свойств кубита под нужды масштабируемой архитектуры.

Новый тип кубита получил название GS2. В его основе один-единственный квантовый объект — частица, «запертая» в полупроводниковой наноструктуре. Информация хранится в спине этой частицы, то есть в её квантовом угловом моменте. В большинстве существующих спиновых кубитов разные спиновые состояния имеют отличающиеся энергии, из-за чего кубит постоянно «вращается» во времени. Это похоже на стрелку часов, которая непрерывно движется, и приходится точно подстраивать управляющие сигналы, чтобы попасть в нужный момент.

Команда Римбах-Русса предложила обойти эту сложность. Они спроектировали кубит так, что две его спиновые конфигурации почти не различаются по энергии. В результате при отсутствии управляющего сигнала квантовое состояние как бы «застывает» — кубит не эволюционирует сам по себе. Он ждёт до тех пор, пока на него не подадут короткий электрический импульс, который и выполняет нужную операцию. В таком режиме уже не так важно, в какую именно долю наносекунды начнётся импульс — система ведёт себя значительно проще.

Это сильно облегчает электронику управления. Отпадает необходимость в сложных микроволновых генераторах, точных часах и синхронизации множества каналов. Достаточно простых и коротких электрических импульсов, чтобы универсально управлять квантовым процессором из таких кубитов. При этом, по словам авторов, операции на GS2 можно выполнять быстрее, чем в традиционных схемах, что создаёт хорошие условия для масштабирования.

Ещё один важный плюс в том, что речь идёт о полупроводниковой технологии. То есть в перспективе кубиты GS2 можно будет производить с использованием близких к современным технологий изготовления обычных микрочипов. Это те же самые фабрики, те же методы литографии и обработки пластин, что сегодня используются для процессоров и памяти. Если такой подход удастся довести до практической реализации, путь к массовым квантовым процессорам станет заметно более реалистичным.

При этом сами исследователи подчёркивают, что пока их кубиты существуют только в виде теоретической и инженерной конструкции. Впереди много работы по борьбе с вариативностью полупроводниковых устройств, улучшению качества материалов и наноструктур. Команда в QuTech занимается проектированием и отладкой архитектуры и методов управления, а их коллеги трудятся над тем, чтобы сделать реальные образцы как можно более стабильными и повторяемыми. Учёные признают, что простая идея на бумаге в эксперименте часто превращается в цепочку сложных задач, однако надеются увидеть первые полноценные реализации GS2 в ближайших экспериментах.