Schemat rezonatora krystaliczno-dielektrycznego (u góry), który pomaga skupić energię mikrofalową w pole magnetyczne, które może kontrolować spin kubitów w krzemowym chipie (widoczne jako niebieskie strzałki)

Jeden pryzmat, by kontrolować miliony kubitów. Poważne ograniczenie komputerów kwantowych pokonane

Naukowcy stworzyli innowacyjny pryzmat, który może przyspieszyć rozwój komputerów kwantowych. Rozwiązuje on problem znany od dziesięcioleci: jak kontrolować miliony kubitów w krzemowym chipie komputera kwantowego bez marnowania dodatkowej przestrzeni na okablowanie.

Komputery kwantowe, choć wydają się maszynami rewolucyjnymi, nie są idealne. Wciąż jest wiele problemów do rozwiązania, zanim dojdzie do ich komercjalizacji. Jednym z nich jest kontrola kilkudziesięciu kubitów jednocześnie. Naukowcy z Uniwersytetu Nowej Południowej Walii (UNSW) znaleźli na to sposób – wystarczy do procesora dodać kryształowy pryzmat.

Jeden pryzmat, by kontrolować je wszystkie

Klasyczne komputery przechowują i przetwarzają informacje w postaci bitów binarnych, reprezentowanych jako zera i jedynki. Bity w komputerach kwantowych to kubity, które mogą występować jako jedynki, zera lub obie wartości jednocześnie. To znacznie zwiększa możliwości obliczeniowe maszyn.

Każdy komputer kwantowy ma krzemowy procesor, w którym informacja jest zakodowana w spinie elektronu (momencie pędu cząstki). Można go kontrolować za pomocą zewnętrznego pola magnetycznego, które jest wytwarzane przez przewody biegnące wzdłuż kubitów. W przypadku kilku kubitów to nie problem, ale gdy zwiększymy ich ilość do kilkudziesięciu, robi się problem – przewody zajmują sporo miejsca i generują za dużo ciepła.

Do tego momentu kontrolowanie kubitów polegało na dostarczaniu pól magnetycznych poprzez przepuszczanie prądu przez przewód tuż obok kubitu. Po pierwsze, pola magnetyczne maleją szybko wraz z odległością, więc możemy kontrolować tylko te kubity znajdujące się najbliżej przewodu. Oznacza to, że musielibyśmy dodawać coraz więcej przewodów, ponieważ wprowadzaliśmy coraz więcej kubitów, które zajęłyby dużo miejsca na chipie.

dr Jarryd Pla z UNSW

Naukowcy z UNSW dokonali przełomu. Opracowali nowy sposób kontrolowania nawet milionów kubitów naraz. Wszystko dzięki kryształowemu pryzmatowi zwanemu rezonatorem dielektrycznym, umieszczonym bezpośrednio nad procesorem. Do pryzmatu są kierowane mikrofale, które generują pole magnetyczne kontrolujące spiny kubitów poniżej.

Są tu dwie kluczowe innowacje. Pierwszą z nich jest to, że nie musimy wkładać dużej ilości energii, aby uzyskać silne pole magnetyczne dla kubitów, więc nie wytwarzamy dużo ciepła. Drugim jest to, że pole jest bardzo jednolite w całym chipie, dzięki czemu miliony kubitów są kontrolowane w ten sam sposób.

dr Jarryd Pla z UNSW

Wyniki badań zostały opublikowane w czasopiśmie Science Advances.