Машина времени для фотонов и невозможная химия: обзор квантовых технологий

«Перемотка» в фотонных системах, процессор нового поколения, наблюдение квантовых эффектов в макромире и транзистор-незамерзайка для управления кубитами и считывания информации. Представляем обзор последних разработок в области квантовых технологий.

Квантовый переключатель

Ученые Института квантовой оптики и квантовой информации Австрийской академии наук и Венского университета нашли способ влиять на нормальное течение времени в квантовой системе. Они разработали так называемый протокол перемотки частиц, перебрасывающий их в состояние, в котором они находились некоторое время назад, или в состояние, в которое они придут в будущем.

«В кинотеатре — ​классическая физика — ​фильм показывают от начала до конца, независимо от того, чего хочет зритель, — ​объясняет один из авторов исследования, руководитель группы Института квантовой оптики и квантовой информации Мигель Наваскуэс. — ​Но дома, в квантовом мире, у нас есть пульт дистанционного управления. Мы можем перемотать на предыдущую сцену или пропустить несколько сцен».

Исследователи реализовали протокол с помощью экспериментального устройства, которое назвали квантовым переключателем. В их опыте фотон, выступавший кубитом, прошел через кристалл и изменился, а затем его вернули в исходное состояние. Ученые утверждают, что могут «­перемотать» состояние этой частицы и вперед.

По словам профессора Венского университета Филипа Вальтера, открытие имеет не только фундаментальное, но и практическое значение: «Например, протокол перемотки в квантовых процессорах может быть использован для отмены ошибок или нежелательных событий».

Больше информации, меньше ошибок

Квантовые компьютеры потенциально более эффективны, чем обычные. Однако кубиты очень чувствительны к внешним вмешательствам: свет, тепло и электромагнитные волны приводят к ошибкам в вычислениях. И чем больше кубитов в квантовой вычислительной системе, тем выше вероятность ошибки.

Инженеры Google заявили, что уменьшили число ошибок квантового процессора, увеличив при этом количество кубитов (раньше они объединяли в логические группы по 17 кубитов, сейчас — ​по 49). Секрет в новом алгоритме квантовой коррекции ошибок. Он найдет воплощение в процессоре следующего поколения, над которым уже работают в Google. Для процессора продумывают инновационные системы криогеники и электронного управления. Если все получится, это станет важным шагом на пути к созданию универсального квантового компьютера.

Кубик из кубитов

Голландская QuantWare представила первый квантовый процессор в 3D-компоновке. Процессор Tenor включает 64 полностью управляемых сверхпроводящих кубита. Главная особенность — ​возможность сравнительно простого масштабирования вычислительной платформы.

Чаще всего кубиты на микросхемах размещаются горизонтально, потому что каждый из них требует специальных контактов на периферии чипа. Кроме проводов, управляющих отдельными кубитами, необходимы провода, которые управляют их взаимодействием. Получается довольно сложная система, и сигнал, который подается в один провод, может навести паразитный сигнал в другом проводе. В QuantWare выбрали вертикальную стековую архитектуру: кубиты как бы уложены друг на друга стопками. Такая компоновка дает дополнительные возможности для масштабирования и внутренней организации кубитов, утверждают разработчики. Развернутых характеристик процессора Tenor они не дают.

Известно, что процессоры QuantWare будет использовать Израиль в своей Национальной квантовой инициативе. В рамках проекта, который стартовал в прошлом году, там создают центр квантовых разработок и квантовый компьютер.

Туннели в макромире

Квантовое туннелирование — ​это эффект, при котором частица может проходить через барьер, когда ее энергия меньше, чем высота барьера. В макроскопическом мире, как правило, наблюдать квантовые свойства объектов напрямую невозможно. Однако специалистам Института физики ионов и прикладной физики Инсбрукского университета (Австрия) это удалось: они впервые эмпирически подтвердили наличие квантового туннельного эффекта в химических реакциях.

Ученые сталкивали отрицательный ион дейтерия с молекулой водорода в криогенной радиочастотной ловушке при –258 °C. По законам классической физики при такой температуре они не реагируют. Но примерно в одном случае из 100 млрд «невозможная» реакция все же происходила.

Морозостойкий чип

Квантовая техника должна работать при очень низкой температуре — ​в криогенных камерах. Конфигурируют, загружают программы и данные, считывают и обрабатывают результаты квантовых вычислений сопряженные с квантовыми системами обычные компьютеры. А низкая температура губительна для электроники: полупроводниковые материалы полностью теряют свои свой­ства и функциональные возможности.

Управление кубитами, запись и считывание информации производятся в большинстве случаев через микроволновые сигналы, которые подаются в криогенную вакуумную камеру и выводятся из нее через множество трубок-волноводов. На смену этой сложной системе может прийти цифровой контроллер американской компании SEEQC. Кремниевый чип устанавливается под квантовым процессором и позволяет манипулировать его кубитами, записывать и считывать с них информацию. Как заявляют разработчики, чип базируется на новых физических принципах и не имеет ни одного классического транзистора, поэтому низкая температура ему не страшна. «Наша технология поможет в будущем строить мощные квантовые компьютеры, в криогенных камерах которых будет размещаться больше кубитов», — ​утверждает Джон Леви, гендиректор SEEQC.