Исследователи разработали архитектуру взаимосвязанных квантовых чипов, которая может приблизить создание систем для масштабных вычислений, включая компьютеры более чем с миллионом кубитов. Работа посвящена проблеме связи между кубитами, если они находятся не рядом друг с другом. Результаты исследования 15 июня опубликовал журнал APL Quantum, сообщает Live Science.
Учёные предложили использовать Quantum Phononic Links (QPL) — квантовые фононные связи. В этой схеме фононы, то есть квазичастицы, переносящие энергию колебаний, выполняют роль канала для обмена информацией между удалёнными кубитами. Традиционные решения, включая поверхностные акустические волны — высокочастотные звуковые колебания, — требуют более сложной конструкции и дополнительного оборудования.
«Одной из ключевых проблем квантовых вычислений является дальняя связь между кубитами. Наша работа представляет новую концепцию, в которой фононы действуют как квантовая шина, позволяя удалённым кубитам обмениваться квантовой информацией при полной совместимости с полупроводниковой технологией», — заявил первый автор исследования, доцент Уорикского университета Максим Миронов.
Наиболее перспективной основой для такой архитектуры исследователи назвали полупроводниковые кубиты на спинах дырок. Дырка — это отсутствие электрона в материале, однако она может вести себя как частица и обладать спиновым состоянием. Направление этого состояния способно кодировать ноль и единицу квантовой информации.
Для демонстрации подхода специалисты создали прототип квантового процессора из кремния с тонким слоем кристаллического германия — материала, получившего название сжато-деформированный германий на кремнии (cs-GoS). Германий снижает декогеренцию, то есть потерю квантовой информации из-за внешних воздействий. В такой структуре фононные волноводы и резонаторы направляют акустические колебания внутри сверхтонкого слоя, а QPL обеспечивают связь между кубитами на расстоянии менее микрометра и до 300 мм.
По данным исследователей, технология может быть полезна не только для квантовых компьютеров. Фононные соединения способны стать интерфейсом для гибридных систем, объединяющих обычные компьютеры с квантовыми функциями, а также связывать полупроводниковые спиновые кубиты с другими квантовыми платформами, включая облачные вычисления. Сочетание фононной инженерии и физики спина дырок, как считают авторы, создаёт основу для масштабируемых квантовых архитектур с когерентной связью на больших расстояниях.