Sciencemag.cz
Doporučujeme
Novinky ze světa kvantového počítání. Integrované kvantové počítače blízko absolutní nuly. Jak propojit qubity a řídicí elektroniku.
Horké qubity
Společnost Equal1 Laboratories prezentovala plně integrovaný kvantový procesor (QPU), který využívá technologie na bázi křemíku a funguje při teplotě 3,7 K. Je to samozřejmě teplota velmi nízká, ale z technologického i ekonomického hlediska je obrovský rozdíl mezi provozem těsně nad absolutní nulou a při pár stupních (poznámka PH: snad by se dalo říct, že u velmi nízkých teplot s klesající teplotou roste náročnost exponenciálně?), takže výrobce již v této souvislosti používá označení „hot qubits“. Výroba součástek vyžaduje pouze již komerčně dostupné technologie pro zpracování křemíku na bázi CMOS; podle firmy by tímto způsobem měl být zmírněn především problém škálovatelnosti kvantových počítačů.
Qubity mají podobu kvantových teček v nanometrovém měřítku. Kromě samotných qubitů jsou součástí integrovaného čipu také veškeré další komponenty potřebné k provozu procesoru, systémy pro čtení dat, řízení, napájení atd. Čip obsahuje přes 10 milionů tranzistorů.
Díky integraci součástek a vyšší provozní teplotě má být celý systém společnosti Equal1 mnohem menší než srovnatelné konkurenční kvantové počítače.
Equal1 založili Dirk Leipold, Mike Asker a Bogdan Staszewski a jako spin-off University College Dublin. Firma zatím sestrojila 2 demonstrační systémy, které jsou prý dohromady v provozu již 24 měsíců bez výpadku, respektive neplánované odstávky. Dle firmy se podařilo prokázat, že počítač opravdu využívá kvantových principů. Integrace systému by měla umožnit velmi rychlý přenos řídicích signálů ke qubitům
Zdroj: University College Dublin / Phys.org
Integrované kvantové počítače blízko absolutní nuly
Další novinka z oblasti kvantových počítačů je dílem výzkumníků Intelu a nizozemského QuTechu (QuTech sám je výsledkem spolupráce Delft University of Technology a TNO, nizozemské organizace pro aplikovaný vědecký výzkum). Zde byl zvolen opačný přístup, kdy se naopak podařilo vyvinout řídicí čip pro qubity, který funguje blízko absolutní nuly. Pomocná elektronika a samotné počítání by díky tomu opět mohlo být integrováno do jediného zařízení, což znamená omezení úzkých míst i vylepšení možnosti škálování.
Poznámka PH: Kryogenní řídicí čip podle tiskové zprávy zvládne teplotu 3K, samotné qubity 20 mK. Čili v praxi to zřejmě ještě plně integrovat nejde…?
Čip HorseRidge využívá 22nanometrovou technologii Intelu FinFET, která má mj. zajišťovat nízkou spotřebu energie. Vše je samozřejmě opět postaveno plně na křemíku. Přesnost fungování samotného čipu byla otestována a omezení systému mají představovat jen samotné qubity. Na počítači se již podařilo spustit Deutschův–Jozsův algoritmus (vůbec první známý efektivní kvantový algoritmus, pro určení vlastností neznámé funkce; kvantové orakulum je zde účinnější než klasické; popis Deutschova algoritmu viz např. zde: https://www2.karlin.mff.cuni.cz/~holub/skripta/Q.pdf).
Xiao Xue et al. CMOS-based cryogenic control of silicon quantum circuits, Nature (2021). DOI: 10.1038/s41586-021-03469-4
Zdroj: Ecole Polytechnique Federale de Lausanne / Phys.org
Jako qubity lze použít nejen elektrony, ale i „jejich absenci“, tedy kladně nabité díry. S těmito kvazišásticemi můžeme zacházet, jako by šlo o normální částice, s elektrickým nábojem a spinem, podobně jako s regulérní částicí lze s dírou i pohybovat. Pokusy využít díry pro kvantové počítání nejsou nové.
Viz také: Bity kvantového počítače jako díry
Novinkou z Institute of Science and Technology Austria (vedoucí práce Daniel Jirovec) je využití děr v germaniu. Materiál byl složen z pouze několik nanometrů tlustých vrstev křemíku a germania, díry-qubity se nacházely ve vnitřní germaniové vrstvě. K jejich přesunům na přesně určená místa sloužila běžná hradla na vršku materiálu.
Qubit byl tvořen dvojicí děr, jejichž (vzájemně interagující) spiny vědci ovládali prostřednictvím vnějšího magnetického pole. Novinkou tohoto uspořádání je, že k manipulaci stačilo pole slabé, jen asi 10 militesla. Konkurenční technologie vyžadují desetinásobek.
Důležité je to kvůli tomu, že nadějný a aktuálně zřejmě preferovaný typ kvantových počítačů využívá k propojení qubitů supravodiče. Silná magnetická pole ale obvykle způsobují, že supravodivost mizí. Tímto způsobem lze vytvářet qubity pomocí běžných polovodičů a ty kombinovat se supravodiči.
Qubity na bázi děr navíc slibují velkou rychlost zpracování informací (100 milionů operací za sekundu) a dlouhou životnost (tedy na poměry kvantových počítačů, 150 mikrosekund). Mezi oběma těmito parametry je třeba obvykle volit (rychlejší qubity jsou méně stabilní), zde ale oba parametry dosahují slušných hodnot současně. Navíc vrstvy křemíku a germania lze kombinovat celou řadou způsobů, takže technologie qubitů na bázi děr v germaniu by měla jít celkem jednoduše dál ladit.
A singlet-triplet hole spin qubit in planar Ge, Nature Materials (2021). DOI: 10.1038/s41563-021-01022-2 , www.nature.com/articles/s41563-021-01022-2
Zdroj: Institute of Science and Technology Austria / Phys.org
pokračování: Kvantové počítání (2): Supravodiče a kvantový počítač v datovém centrum
Viz také na ITBiz.cz: Kvantové počítače – jak vybírat poskytovatele
