Квантов чип съхранява информацията като вибрации

Група физици от ETH Цюрих демонстрира квантов чип, в който работната памет не е поредица от електромагнитни резонатори, а механични вибрации в парче материал с дебелина един милиметър. Резултатът е публикуван в списание Science под заглавието „Mechanical resonator-based quantum computing”, а самият чип е с размери 7,5 x 2,5 x 1 мм. Вчера работата беше разгледана и от New Atlas, което върна темата в дневния ред.

Защо звукът е по-удобен от светлината

Квантовите компютри със свръхпроводящи вериги работят с микровълни около 5 GHz. При тази честота електромагнитната вълна е дълга няколко сантиметра — оттам идват и обемистите резонатори, които заемат по-голямата част от чиповете и на практика ограничават колко памет може да се събере на едно място.

Звукът в твърдо тяло се движи около 100 000 пъти по-бавно от светлината. Същите 5 GHz, изразени като акустична вълна, дават дължина от порядъка на микрометри — приблизително четири порядъка по-малко. Това е цялата идея: ако информацията се пази като трептене на материала, а не като електромагнитно поле, за същия брой състояния трябва драстично по-малко място.

Устройството, което прави това, се нарича high-overtone bulk acoustic-wave resonator (HBAR) — тънка пластина, между чиито две повърхности звуковата вълна се отразява напред-назад като в резонираща кутия. В нея се побират десетки хармоници, отдалечени една от друга на около 12,6 MHz, и всяка от тях може да служи като отделна клетка памет.

Снимка: ETH Zurich

Процесор и RAM, но квантови

Архитектурата копира разделението, което познаваме от класическите компютри. Ролята на процесора играе свръхпроводящ transmon кубит — бърз, но нетраен. Ролята на RAM поемат фононните режими на акустичния резонатор.

Разликата в издръжливостта е същественото число тук. Кохерентността на transmon кубита е около 23 микросекунди, докато механичните режими задържат състоянието си между 127 и 368 микросекунди — от 5 до 16 пъти по-дълго от процесора, който ги управлява. В квантовите изчисления „по-дълго” означава „повече операции, преди информацията да се разпадне”.

Екипът се ръководи от проф. Ивен Чу от Лабораторията по физика на твърдото тяло, а първи автори са докторантите Ю Янг и Игор Кладарич. „Нашият квантов чип съдържа мънички компоненти, които започват да вибрират, когато съхраняват информация”, обяснява Чу в съобщението на ETH Цюрих от 9 юли.

Какво реално смята чипът

Демонстрацията не се изчерпва със съхранение. Изследователите са реализирали двукубитови операции — iSWAP и controlled-phase — между кубита и механичните режими, след което са пуснали върху системата две учебникарски квантови процедури: квантово преобразувание на Фурие (QFT) и квантово търсене на период.

Точността обаче е на ниво лабораторен прототип. Операциите върху един режим се изпълняват с надеждност между 94,95% и 95,93%, а controlled-phase гейтовете — между 85% и 89,2%. Прехвърлянето на състояние между кубита и паметта струва средно около 1,71% загуба. За сравнение, комерсиалните свръхпроводящи платформи се целят в двукубитови гейтове с надеждност над 99%, а корекцията на грешки изисква и повече.

Снимка: ETH Zurich/Chu Group

Колко далече е това от практиката

Полезно е да се каже направо: това не е квантов компютър, който решава задачи по-добре от класически. Това е доказателство, че цял клас операции могат да се изпълнят в архитектура, която пести обем — а обемът е един от истинските спирачи пред мащабирането. Свръхпроводящите машини растат хоризонтално, всеки нов кубит иска място в криостата, а криостатите не растат безкрайно.

Авторите описват целта си като „хардуерно ефективна квантова RAM, която премахва нуждата от обемисти електромагнитни компоненти”. Ако подходът издържи при повече режими и по-висока точност, един чип би могъл да носи значително повече квантови състояния на същата площ.

Идеята за алтернативни физични носители на изчислението не е самотна — наскоро писахме за безжичния ДНК компютър, който постави рекорд за скорост. Общото между двете е, че и в двата случая изчислението се изнася извън привичната електроника.

Заключение

Работата на ETH Цюрих е от тези, които не обещават нищо на потребителя утре, но променят инженерните сметки. Механичната памет с кохерентност до 368 микросекунди в чип с обем под 20 кубични милиметра е конкретен аргумент, че квантовият хардуер може да се свие, вместо само да се разширява. Следващите стъпки са ясни и трудни: по-високи надеждности на гейтовете, повече адресируеми режими и доказателство, че всичко това остава стабилно, когато чиповете станат много.