Квантовые вычисления, которые часто называют технологической революцией будущего, обещают решить сложные проблемы, далеко выходящие за рамки возможностей обычных компьютеров. В основе этой технологии лежат кубиты — фундаментальные единицы квантовой информации, способные использовать странные свойства квантовой физики. Однако, несмотря на впечатляющие успехи, достигнутые в последние годы, одно препятствие все еще сохраняется: стабильность кубитов. Недавно команда физиков из ETH Zurich предложила решение, создав первый полностью механический кубит, который может изменить подход к созданию квантовых систем.
В отличие от обычных битов, которые могут представлять только 0 или 1, кубиты используют принцип суперпозиции, чтобы существовать одновременно в этих двух состояниях. Эта уникальная особенность позволяет им обрабатывать огромные объемы информации параллельно, открывая путь к чрезвычайно быстрым и мощным вычислениям. Однако за эту сложность приходится платить: традиционные кубиты крайне нестабильны.
В частности, многие кубиты основаны на сверхпроводящих схемах, использующих электромагнитные колебания. В таких системах микроволны используются для изменения состояний кубитов и выполнения вычислительных операций. Такие электромагнитные кубиты, например, используемые в процессорах Google или IBM, находятся на переднем крае современных исследований.
В некоторых случаях также используются гибридные системы. В них сочетаются различные подходы, позволяющие использовать преимущества нескольких технологий. Например, кубиты могут быть созданы с помощью ионов, захваченных в ловушку электромагнитного поля и управляемых лазерами, или путем соединения электромагнитных состояний с механическими колебаниями (акустическими модами) для улучшения их контроля или стабильности.
Несмотря на перспективность, эти системы все еще очень чувствительны к внешним возмущениям, будь то перепады температуры, электромагнитные помехи или даже механические колебания окружающей среды. Эти внешние воздействия приводят к быстрой потере квантового состояния, что известно как декогеренция. В результате время, в течение которого эти кубиты могут сохранять пригодную для использования информацию, называемое временем когерентности, чрезвычайно мало, часто измеряется микросекундами, что ограничивает их эффективность в сложных вычислениях и требует дорогостоящих систем коррекции ошибок. Именно эта хрупкость и побудила исследователей искать альтернативные подходы. Что, если сделать кубиты более надежными за счет полностью механической конструкции?
Команда из ETH Zurich решила эту задачу, разработав совершенно новое устройство. Вместо того чтобы полагаться на электромагнетизм, их кубит основан на механической структуре. В основе их изобретения лежит вибрирующая мембрана, похожая на тонкую барабанную перепонку, натянутую на жесткую поверхность. Эта мембрана может находиться в одном из трех состояний: неподвижном (без вибрации), вибрирующем (регулярно колеблющемся) или в квантовой суперпозиции этих двух состояний. Другими словами, она может одновременно не вибрировать и вибрировать — ключевое свойство кубитов, позволяющее проводить уникальные квантовые вычисления.
Чтобы сделать устройство функциональным, исследователи использовали пьезоэлектрический диск — материал, преобразующий механические колебания в электрические сигналы, что позволяет эффективно управлять состояниями кубита. Этот диск, действующий как механический резонатор, установлен на основание из сапфира, сверхпрочного и термически стабильного материала. Это основание играет решающую роль в минимизации внешних возмущений, таких как перепады температуры или паразитные вибрации, которые могут изменить работу системы.
Кроме того, сам кубит, изготовленный из сверхпроводящего материала (способного проводить электричество без сопротивления), также установлен на отдельном сапфировом основании. Эта двойная структура (механический резонатор и сверхпроводящий кубит) соединена сверхточными технологиями производства, разработанными специально для этого проекта. Эта оригинальная конфигурация обеспечивает стабильное и контролируемое взаимодействие между механической частью (резонатором) и квантовой частью (кубитом).
Одним словом, представьте себе очень тонкую вибрирующую мембрану в сердце устройства, стабилизированного сверхпрочными материалами, где каждый компонент предназначен для взаимодействия с исключительной точностью. Эта уникальная конструкция позволяет преодолеть ограничения, существующие у современных кубитов, и при этом обеспечивает гораздо большее время когерентности (время жизни квантовых состояний) и большую стабильность.
Первые испытания этого механического кубита показали впечатляющие результаты. Оказалось, что время когерентности, которое имеет решающее значение для надежности квантовых вычислений, значительно больше, чем у традиционных систем. Другими словами, этот механический кубит может хранить квантовую информацию дольше, не теряя ее, обеспечивая более стабильную платформу для сложных вычислений. Такая повышенная стабильность может устранить одно из главных препятствий на пути к созданию полностью работоспособных квантовых компьютеров. С более надежными кубитами системам потребуется меньше ресурсов для исправления ошибок, что сделает квантовые компьютеры более эффективными и доступными.
Это новшество открывает захватывающие перспективы для квантовых вычислений. Среди планируемых применений — молекулярное моделирование для разработки новых лекарств, оптимизация логистических сетей и передовая криптография, которая может гарантировать полностью безопасные коммуникации. Кроме того, механические кубиты могут стать жизнеспособной альтернативой для систем, требующих высокой прочности в сложных условиях, таких как спутники или промышленные установки.
Осознавая потенциал своего открытия, исследователи из ETH Zurich не собираются останавливаться на достигнутом. Они планируют провести эксперименты с другими материалами, чтобы еще больше увеличить время когерентности. В то же время исследователи хотят пойти дальше и интегрировать эти механические кубиты в полноценную квантовую вычислительную систему. Под полной системой понимается устройство, в котором кубиты работают не изолированно, а взаимодействуют друг с другом для выполнения вычислений. Для этого они будут использовать квантовые ворота, которые в квантовых компьютерах являются эквивалентом логических схем в обычных компьютерах. Эти ворота позволяют манипулировать кубитами, изменяя их состояния (например, применяя такие операции, как инверсия или суперпозиция).
Испытав механические кубиты с помощью квантовых затворов, ученые смогут оценить их эффективность и надежность в практических сценариях, то есть в ситуациях, близких к тем, которые могут возникнуть в работающем квантовом компьютере. Это позволит им определить, действительно ли механические кубиты являются жизнеспособной альтернативой электромагнитным или гибридным кубитам, используемым в настоящее время.