Исследователи создали новый тип архитектуры соединений для чипов квантовых компьютеров. По их мнению, такая разработка способна открыть путь к машинам, которые смогут обрабатывать данные в больших масштабах, в том числе к системам с более чем миллионом кубитов.
В работе, опубликованной 15 июня в журнале APL Quantum, учёные попытались решить серьёзную проблему, свойственную современным квантовым процессорам (QPU): кубиты с трудом обмениваются квантовой информацией друг с другом, если не являются соседями. Именно поэтому специалисты предложили квантовые фононные связи (Quantum Phononic Links, QPL) — метод дальнего взаимодействия между кубитами, который опирается на фононы, квазичастицы, переносящие энергию колебаний, для передачи информации. Для сравнения, традиционные подходы, например поверхностные акустические волны (высокочастотные звуковые колебания), требуют сложных конструкций и дополнительного оборудования.
«Одна из ключевых задач в квантовых вычислениях — это дальняя связность кубитов, — заявил Максим Миронов, доцент по полупроводниковым материалам и приборам Уорикского университета в Великобритании и первый автор исследования. — Наша работа предлагает новую концепцию, в которой фононы выступают в роли квантовой шины, позволяя удалённым кубитам обмениваться квантовой информацией и оставаясь полностью совместимыми с полупроводниковой технологией».
По словам учёных, наиболее перспективным способом построить квантовый компьютер, способный к крупномасштабной обработке с использованием QPL, является модальность кубитов, известная как «полупроводниковые кубиты на дырочном спине». Под «дыркой» здесь понимается отсутствие электрона в материале, однако она может вести себя как частица и обладать спиновым состоянием — свойством, применяемым для кодирования квантовой информации, где единицы и нули данных представляются направлением спинового состояния частицы. Чтобы продемонстрировать технологию, исследователи создали прототип QPU из кремния с тонким кристаллическим слоем германия — специальный материал, который они назвали сжато-напряжённым германием на кремнии (cs-GoS). Германий особенно полезен для квантовых вычислений, поскольку его природные свойства снижают декогеренцию — потерю квантовой информации из-за внешних помех.
Кубиты на дырочном спине сочетают длительное время квантовой когерентности — то, как долго они удерживают квантовую информацию, — со способностью обмениваться данными через электронные импульсы в системах управления. Однако им трудно образовывать связи и делиться квантовой информацией с кубитами, которые не являются их прямыми соседями. В любой крупномасштабной системе обеспечение такого «квантового взаимодействия» между удалёнными кубитами необходимо для эффективной работы методов квантовой коррекции ошибок по всей огромной системе. Другие предлагаемые подходы к дальней связи, например «шунтирование заряда» — перенаправление конденсаторов для снижения чувствительности к зарядовому шуму, или поверхностные акустические волны, — имеют принципиальные ограничения по масштабируемости, как по размеру, так и по сохранению когерентности. Здесь и вступают в дело QPL.
QPL представляют собой специально спроектированные фононные волноводы и резонаторы, которые одновременно удерживают и направляют акустические моды внутри сжато-напряжённой германиевой «квантовой ямы» — сверхтонкого слоя, выполняющего роль направляющей. В исследовании учёные сосредоточились на кубитах, использующих дырки валентной зоны — отсутствие электронов при абсолютном нуле, — размещённых с помощью cs-GoS. С помощью QPL исследователи передавали звукоподобные колебания через специальный материал, чтобы переносить квантовую информацию между удалёнными кубитами. Спиновые состояния в этом материале крайне чувствительны к деформациям решётки, что позволяет точно управлять спиновыми состояниями и связывать их с энергией колебаний. По сути, это делает спиновое состояние отличимым от его электронного аналога, открывая возможности для стратегий фононного взаимодействия. Применённая методика позволила напрямую связать фононы с дырочными спинами.
Используя низкую скорость волны (скорость квантовой частицы) и короткую длину волны акустических возбуждений, учёные с помощью QPL соединили кубиты, разделённые менее чем на микрометр (одну тысячную миллиметра), а также те, что находились на расстоянии до 300 мм (11,8 дюйма) друг от друга. Как отметили исследователи, QPL перспективны не только для квантовых вычислений. Используя фононы в качестве соединений, этот метод предлагает универсальный интерфейс для гибридных квантовых систем — обычных компьютеров с функциональностью квантовых вычислений. Это может обеспечить когерентное соединение полупроводниковых спиновых кубитов с другими квантовыми платформами, например с облачными квантовыми вычислениями. Сочетание фононной инженерии и физики дырочных спинов делает cs-GoS перспективной платформой для квантовых архитектур следующего поколения, добавили они, поскольку она способна обеспечить как дальнее когерентное взаимодействие, так и крупномасштабную интеграцию.