Но эти приложения станут возможными только в том случае, если квантовые компьютеры смогут выполнять операции чрезвычайно быстро, чтобы ученые могли проводить измерения и вносить коррективы до того, как увеличение частоты ошибок снизит их точность и надежность.

Эффективность этого процесса измерения, известного как считывание, зависит от силы связи между фотонами, которые являются частицами света, несущими квантовую информацию, и искусственными атомами, единицами материи, которые часто используются для хранения информации в квантовом компьютере.

Теперь исследователи Массачусетского технологического института продемонстрировали то, что, по их мнению, является самой сильной нелинейной связью света и материи, когда-либо достигнутой в квантовой системе. Их эксперимент - это шаг к реализации квантовых операций и считывания данных, которые могут быть выполнены за несколько наносекунд.

Исследователи использовали новую архитектуру сверхпроводящей схемы, чтобы продемонстрировать нелинейную связь света и вещества, которая примерно на порядок сильнее предыдущих демонстраций, что могло бы позволить квантовому процессору работать примерно в 10 раз быстрее.

Предстоит еще многое сделать, прежде чем архитектура сможет быть использована в реальном квантовом компьютере, но демонстрация фундаментальной физики, лежащей в основе процесса, является важным шагом в правильном направлении, говорит Юфэн "Брайт" Йе, доктор философии, 24 года, ведущий автор статьи об этом исследовании.

"Это действительно устранило бы одно из узких мест в квантовых вычислениях. Обычно вам приходится измерять результаты ваших вычислений в промежутках между раундами исправления ошибок. Это могло бы ускорить то, насколько быстро мы сможем достичь стадии отказоустойчивых квантовых вычислений и сможем получать реальные приложения и ценность от наших квантовых компьютеров", - говорит Йе.

К нему присоединился старший автор Кевин О'Брайен, доцент и главный исследователь исследовательской лаборатории электроники Массачусетского технологического института, который возглавляет группу квантовой когерентной электроники на факультете электротехники и компьютерных наук (EECS), а также другие сотрудники Массачусетского технологического института, лаборатории Линкольна Массачусетского технологического института и Гарварда. Университет. Исследование опубликовано в журнале Nature Communications.

Новая муфта

Эта физическая демонстрация основана на многолетних теоретических исследованиях группы О'Брайена.

После того, как Йе присоединился к лаборатории в качестве аспиранта в 2019 году, он начал разрабатывать специализированный фотонный детектор для улучшения квантовой обработки информации.

Благодаря этой работе он изобрел новый тип квантового соединителя, который представляет собой устройство, облегчающее взаимодействие между кубитами. Кубиты - это строительные блоки квантового компьютера. У этого так называемого квартонного соединителя было так много потенциальных применений в квантовых операциях и считывании данных, что он быстро стал центром внимания лаборатории.

Этот квартонный соединитель представляет собой особый тип сверхпроводящей схемы, которая обладает потенциалом для создания чрезвычайно сильной нелинейной связи, что необходимо для работы большинства квантовых алгоритмов. Поскольку исследователи подают больше тока в соединитель, это создает еще более сильное нелинейное взаимодействие. В этом смысле нелинейность означает, что система ведет себя так, что это больше, чем сумма ее частей, проявляя более сложные свойства.

"Большинство полезных взаимодействий в квантовых вычислениях происходят в результате нелинейного взаимодействия света и материи. Если вы сможете получить более широкий спектр различных типов связи и увеличить силу связи, то вы сможете существенно увеличить скорость обработки данных квантового компьютера", - объясняет Йе.

Для квантового считывания исследователи направляют микроволновый свет на кубит, а затем, в зависимости от того, находится ли этот кубит в состоянии 0 или 1, происходит сдвиг частоты на связанном с ним считывающем резонаторе. Они измеряют этот сдвиг, чтобы определить состояние кубита.

Нелинейная связь между светом и веществом между кубитом и резонатором обеспечивает этот процесс измерения.

Исследователи Массачусетского технологического института разработали архитектуру с квартонным соединителем, подключенным к двум сверхпроводящим кубитам на кристалле. Они превращают один кубит в резонатор, а другой кубит используют в качестве искусственного атома, который хранит квантовую информацию. Эта информация передается в виде частиц микроволнового света, называемых фотонами.

"Взаимодействие между этими сверхпроводящими искусственными атомами и микроволновым излучением, которое направляет сигнал, - это, по сути, то, как строится весь сверхпроводящий квантовый компьютер", - объясняет Йе.

Обеспечение более быстрого считывания

Квартонный ответвитель создает нелинейную связь между светом и веществом между кубитом и резонатором, которая примерно на порядок сильнее, чем исследователи достигали ранее. Это могло бы позволить создать квантовую систему с молниеносным считыванием данных.

"Эта работа - еще не конец истории. Это демонстрация фундаментальной физики, но сейчас в группе ведется работа над реализацией действительно быстрого считывания", - говорит О'Брайен.

Это потребовало бы добавления дополнительных электронных компонентов, таких как фильтры, для создания схемы считывания, которая могла бы быть встроена в более крупную квантовую систему.

Исследователи также продемонстрировали чрезвычайно сильную связь материя-вещество, еще один тип взаимодействия кубитов, который важен для квантовых операций. Это еще одна область, которую они планируют исследовать в своей будущей работе.

Быстрые операции и считывание данных особенно важны для квантовых компьютеров, поскольку кубиты имеют конечную продолжительность жизни - понятие, известное как время когерентности.

Более сильная нелинейная связь позволяет квантовому процессору работать быстрее и с меньшей погрешностью, поэтому кубиты могут выполнять больше операций за тот же промежуток времени. Это означает, что кубиты могут выполнять больше циклов исправления ошибок в течение своего срока службы.

"Чем больше попыток исправления ошибок вы сможете выполнить, тем меньше будет ошибок в результатах", - говорит Йе.

В долгосрочной перспективе эта работа могла бы помочь ученым создать отказоустойчивый квантовый компьютер, который необходим для практических крупномасштабных квантовых вычислений.

Это исследование было частично поддержано Исследовательским управлением армии, Центром квантовых вычислений AWS и Центром квантовой инженерии Массачусетского технологического института.