В этих временных масштабах мгновение ока - одна десятая секунды - похоже на вечность.

Теперь команда исследователей из UNSW Sydney открыла новые горизонты в доказательстве того, что "спиновые кубиты" - свойства электронов, представляющих основные единицы информации в квантовых компьютерах - могут хранить информацию до двух миллисекунд. Известное как "время когерентности", продолжительность времени, в течение которого кубитами можно манипулировать во все более сложных вычислениях, достижение в 100 раз больше, чем предыдущие тесты в том же квантовом процессоре.

"Более длительное время когерентности означает, что у вас есть больше времени, в течение которого хранится ваша квантовая информация, а это именно то, что вам нужно при выполнении квантовых операций", - говорит аспирантка Аманда Сидхаус, чья работа в области теоретических квантовых вычислений способствовала этому достижению.

"Время согласованности в основном говорит вам, как долго вы можете выполнять все операции в любом алгоритме или последовательности, которые вы хотите выполнить, прежде чем вы потеряете всю информацию в своих кубитах".

В квантовых вычислениях, чем больше вы можете поддерживать вращения в движении, тем больше вероятность того, что информация может быть сохранена во время вычислений. Когда вращающиеся кубиты перестают вращаться, вычисление сворачивается, и значения, представленные каждым кубитом, теряются. Концепция расширения когерентности уже была подтверждена экспериментально квантовыми инженерами в UNSW в 2016 году.

Задачу еще более усложняет тот факт, что работающие квантовые компьютеры будущего должны будут отслеживать значения миллионов кубитов, если они хотят решить некоторые из самых больших проблем человечества, таких как поиск эффективных вакцин, моделирование погодных систем и прогнозирование последствий изменения климата.

В конце прошлого года та же команда из UNSW Sydney решила техническую проблему, которая десятилетиями ставила инженеров в тупик относительно того, как манипулировать миллионами кубитов, не выделяя больше тепла и помех. Вместо того, чтобы добавлять тысячи крошечных антенн для управления миллионами электронов с помощью магнитных волн, исследовательская группа придумала способ использовать только одну антенну для управления всеми кубитами в чипе, введя кристалл, называемый диэлектрическим резонатором. Эти результаты были опубликованы в Научные достижения.

Это решило проблему пространства, тепла и шума, которые неизбежно увеличивались бы по мере того, как все больше и больше кубитов подключается к сети для выполнения умопомрачительных вычислений, которые возможны, когда кубиты представляют не только 1 или 0, как обычные двоичные компьютеры, но и оба сразу, используя явление, известное как квантовая суперпозиция.

Глобальный контроль против индивидуального

Однако это достижение, подтверждающее концепцию, все еще оставляло несколько проблем, которые необходимо было решить. Ведущий исследователь г-жа Ингвильд Хансен присоединилась к г-же Сидхаус, чтобы рассмотреть эти вопросы в серии статей, опубликованных в журналах Физический осмотр B, Физический осмотр A и Обзоры прикладной физики -- последняя статья опубликована только на этой неделе.

Возможность управлять миллионами кубитов всего с помощью одной антенны была большим шагом вперед. Но в то время как одновременное управление миллионами кубитов - это великий подвиг, работающие квантовые компьютеры также будут нуждаться в индивидуальном управлении ими. Если все спиновые кубиты вращаются почти с одинаковой частотой, они будут иметь одинаковые значения. Как мы можем управлять ими по отдельности, чтобы они могли представлять разные значения в вычислении?

"Сначала мы теоретически показали, что можем улучшить время когерентности, непрерывно вращая кубиты", - говорит г-жа Хансен.

"Если вы представите циркового артиста, вращающего тарелки, пока они все еще вращаются, представление может продолжаться. Точно так же, если мы постоянно управляем кубитами, они могут дольше хранить информацию. Мы показали, что такие "одетые" кубиты имеют время когерентности более 230 микросекунд [230 миллионных долей секунды]".

После того, как команда показала, что время когерентности может быть увеличено с помощью так называемых "одетых" кубитов, следующей задачей было сделать протокол более надежным и показать, что глобально контролируемыми электронами также можно управлять индивидуально, чтобы они могли сохранять различные значения, необходимые для сложных вычислений.

Это было достигнуто путем создания того, что команда назвала "УМНЫМ" протоколом кубитов - синусоидально модулированным, всегда вращающимся и адаптированным.

Вместо того чтобы заставлять кубиты вращаться по кругу, они манипулировали ими, заставляя их раскачиваться взад-вперед, как метроном. Затем, если электрическое поле прикладывается индивидуально к любому кубиту, выводя его из резонанса, он может быть переведен в темп, отличный от его соседей, но при этом двигаться в том же ритме.

"Думайте об этом как о двух детях на качелях, которые в значительной степени синхронно двигаются вперед и назад", - говорит мисс Сидхаус. "Если мы дадим одному из них толчок, мы можем заставить их достичь конца своей дуги на противоположных концах, так что один может быть 0, когда другой теперь равен 1".

Результатом является то, что кубитом можно не только управлять индивидуально (электронным способом), находясь под влиянием глобального управления (магнитного), но и время когерентности, как указывалось ранее, существенно больше и подходит для квантовых вычислений.

"Мы показали простой и элегантный способ управления всеми кубитами одновременно, который также обеспечивает лучшую производительность", - говорит доктор Генри Янг, один из старших исследователей в команде.

"ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЙ протокол станет потенциальным путем для полномасштабных квантовых компьютеров".

Исследовательскую группу возглавляет профессор Эндрю Дзурак, генеральный директор и основатель Diraq, дочерней компании UNSW, которая разрабатывает процессоры квантовых компьютеров, которые могут быть изготовлены с использованием стандартного производства кремниевых чипов.

Следующие шаги

"Наша следующая цель - показать, как это работает при вычислениях с двумя кубитами, после демонстрации нашего доказательства концепции в нашей экспериментальной статье с одним кубитом", - говорит г-жа Хансен.

"После этого мы хотим показать, что мы можем сделать это и для нескольких кубитов, чтобы показать, что теория доказана на практике".