Команда инженеров из Аргоннской национальной лаборатории и Чикагского университета объявила сразу о двух прорывах в разработке квантовых систем. Ученые создали микросхему для считывания квантового состояния кубита «по запросу» и, используя новое устройство, смогли удержать кубит в когерентном состоянии более пяти секунд вместо миллисекунд. Периода в пять секунд будет достаточно для обработки более чем 100 млн квантовых операций, уверены ученые. Инженерный прорыв позволит радикально повысить точность и масштабируемость квантовых вычислений.

«Это редкость, когда квантовая информация сохраняется в таких „человеческих“ масштабах времени. Пять секунд — это достаточно долго, чтобы отправить сигнал со скоростью света на Луну и получить его обратно. Это очень мощно, если вы думаете о передаче информации от кубита кому-то с помощью света. Этот свет будет правильно отражать состояние кубита даже после того, как он обогнет Землю почти 40 раз — это открывает путь к созданию распределенного квантового интернета», — заявил главный исследователь проекта, старший научный сотрудник Аргоннской национальной лаборатории, директор центра квантовых исследований Q-NEXT Дэвид Авшалом.

Квантовые системы обещают создать множество прикладных приложений, вроде защищенных от хакеров сетей или квантовых компьютеров, которые будут самостоятельно открывать новые лекарства. Для подобных задач машинам требуются кубиты — квантовый аналог компьютерного бита, который используется для хранения данных. В случае с обычными ПК достаточно увеличить число битов, чтобы обрабатывать больше информации, но с квантовыми системами такой подход не работает.

Кубиты не способны долго удерживать информацию. Текущие технологии позволяют сохранить кубиты в состоянии когерентности — моменте, когда данные можно считать — не более нескольких миллисекунд. Эта проблема вынуждает разработчиков идти на компромиссы и упрощать конфигурации своих компьютеров, ограничивая технологический прогресс. Благодаря новому открытию, ситуация может кардинально измениться.

Ученые собрали новый тип кубитов, применив в качестве основного материала карбид кремния, который часто используется в лампочках, электромобилях и бытовой электронике. Сама суть открытия заключается в создании особенного импульса лазера, который добавляет один электрон к кубиту в зависимости от первоначального квантового состояния этого кубита (0 или 1). То есть происходит однократное считывание, поскольку состояние суперпозиции кубита в результате этой операции разрушается, но это позволяет закрепить его состояние на достаточное для вычислений время. Кубит с добавленным электроном сохраняет квантовое состояние и дает отклик при считывании до 10 тыс. раз сильнее, что делает операции чтения устойчивыми к помехам.

«По сути, мы вывели карбид кремния на передний план в качестве платформы для квантовой связи. Это впечатляет, потому что его легко масштабировать, поскольку мы уже знаем, как делать полезные устройства из этого материала», — добавила соавтор статьи Елена Глен.

В ходе серии опытов инженеры протестировали несколько конфигураций своей системы, после чего добились удержания кубитов в состоянии когерентности более пяти секунд. При этом ученые отметили, что в обозримом будущем смогут добиться и большего времени работы. Это решение пригодится при разработке квантовой версии интернета — более совершенной и защищенной сети, которая будет построена на базе квантовых компьютеров.

«Например, это новое рекордное время означает, что мы можем выполнить более 100 млн квантовых операций, прежде чем состояние когерентности будет потеряно», — рассказал соавтор статьи Крис Андерсон из Чикагского университета.

Увеличение времени когерентности имеет и другие последствия. Квантовые компьютеры уже гарантируют многократный прирост в скорости и качестве обработки данных по сравнению с обычными компьютерами, а отсутствие временных ограничений по работе с промежуточными результатами вычислений увеличит их производительность еще на несколько порядков, подытожили ученые.