Dzięki niemu komputery kwantowe mogłyby kiedyś działać w sposób bardziej przypominający współczesne komputery osobiste. Zespół naukowców ze szwajcarskiej uczelni opracował nową architekturę, w której obliczenia i pamięć zostały wyraźnie rozdzielone. Zamiast przechowywać informacje w polach elektromagnetycznych, badacze wykorzystali mikroskopijne drgania mechaniczne, przypominające drgania strun gitary. Takie rozwiązanie może znacząco zwiększyć pojemność pamięci kwantowej przy jednoczesnym zmniejszeniu rozmiarów układów.
Czytaj też: Ten materiał kwantowy filtruje światło jak żaden inny. Fizycy wreszcie dostosowali go do ludzkich temperatur
Nowy chip ma zaledwie 7,5 mm długości, 2,5 mm szerokości i około 1 mm grubości. W jego wnętrzu znajdują się mechaniczne rezonatory, czyli mikroskopijne elementy, które podczas zapisu informacji wpadają w drgania o bardzo wysokiej częstotliwości. Kwantowa informacja jest przechowywana w postaci fononów, a więc kwantów drgań mechanicznych, zamiast w tradycyjnych rezonatorach elektromagnetycznych.
Badacze świadomie wzorowali się na architekturze klasycznych komputerów, gdzie procesor (CPU) odpowiada za wykonywanie obliczeń, a pamięć RAM przechowuje dane potrzebne w trakcie pracy. W nowym rozwiązaniu rolę procesora pełni nadprzewodzący kubit, natomiast pamięć roboczą stanowi zestaw mechanicznych rezonatorów. Dzięki temu procesor może pobierać informacje z pamięci tylko wtedy, gdy są potrzebne do wykonania konkretnej operacji kwantowej.
Największą zaletą mechanicznych rezonatorów jest ich ogromna gęstość zapisu. Jeden rezonator może obsługiwać wiele różnych trybów drgań, a każdy z nich stanowi oddzielne miejsce przechowywania informacji. W praktyce oznacza to możliwość zgromadzenia znacznie większej ilości danych na tej samej powierzchni układu niż w przypadku klasycznych rezonatorów elektromagnetycznych, które zajmują więcej miejsca.
Zespół badawczy nie ograniczył się jedynie do demonstracji działania pamięci. Jak czytamy w publikacji zamieszczonej na łamach Science, jego członkowie pokazali, że ich hybrydowa architektura potrafi wykonywać podstawowe bramki kwantowe oraz bardziej złożone algorytmy, takie jak kwantowa transformata Fouriera czy algorytm wyszukiwania okresów. Oznacza to, iż mechaniczne rezonatory mogą zarówno przechowywać dane, jak i aktywnie uczestniczyć w obliczeniach.
Połączenie nadprzewodzących kubitów z mechanicznymi rezonatorami pozwala wykorzystać mocne strony obu technologii. Kubity zapewniają szybkie wykonywanie operacji logicznych, natomiast rezonatory oferują długi czas zachowania informacji kwantowej oraz możliwość przechowywania wielu stanów jednocześnie. Takie rozdzielenie funkcji może okazać się kluczowe przy budowie znacznie większych komputerów kwantowych niż obecnie dostępne prototypy.
Autorzy badań mimo tych optymistycznych informacji apelują o rozwagę. Podkreślają, że jest to dopiero demonstracja możliwości nowej architektury, a nie gotowy komputer kwantowy zdolny do praktycznych zastosowań. Kolejnym wyzwaniem będzie zwiększenie liczby rezonatorów, poprawa niezawodności działania oraz ograniczenie błędów pojawiających się podczas wykonywania obliczeń. Jeśli uda się zachować obecne zalety systemu przy znacznie większej skali, mechaniczne pamięci mogą stać się podstawą przyszłych kwantowych pamięci RAM i nowej generacji wydajnych komputerów kwantowych.
Źródło: Science
