Ученые предложили перспективный подход к созданию квантового интерфейса для передачи данных на основе сверхпроводящих структур, работающих в режиме кубитов — базовых элементов квантового компьютера. Сверхпроводящие структуры способны работать в двух режимах: стационарном — когда они хранят и обрабатывают информацию, — и в режиме так называемых «летающих» кубитов, передающих данные по цепочке. Авторы смоделировали систему управления такими кубитами с помощью импульсов магнитного потока, что позволило избежать потери информации при передаче между элементами. Такой подход открывает путь к созданию компактных и энергоэффективных квантовых процессоров для задач квантовой связи, искусственного интеллекта и сложных вычислений, технически недоступных для обычных компьютеров. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Chaos, Solitons and Fractals.
Схематичное изображение «летающего» кубита и основные принципы работы предложенной системы. Источник: Марина Бастракова
Квантовые компьютеры позволят решать задачи, недоступные даже самым мощным классическим суперкомпьютерам — от моделирования сложных молекул до оптимизации масштабных логистических систем. Однако их главным ограничением остается проблема квантовой связи: кубиты крайне чувствительны к внешним воздействиям и легко теряют свои свойства (в частности, способность находиться одновременно в двух состояниях — условно «0» и «1»).
Сегодня для передачи квантовой информации используют микроволновые сверхпроводниковые резонаторы — структуры, которые помогают кубитам «общаться» с помощью электромагнитных волн. Такие системы оказываются технически довольно сложными, и их не удается миниатюризировать. Кроме того, при увеличении числа кубитов в системе возникают перекрестные помехи — ситуации, когда сигналы от соседних резонаторов накладываются друг на друга, искажая передаваемую информацию. Это приводит к ошибкам в квантовых операциях и требует сложной индивидуальной настройки каждого элемента, что делает систему практически не масштабируемой. Поэтому ученые ищут другие технологии для управления кубитами и передачи квантовых состояний.
Исследователи из Нижегородского государственного университета имени Н.И. Лобачевского (Нижний Новгород) и Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова (Москва) смоделировали гибридную систему на основе сверхпроводящих элементов — адиабатических квантовых параметронов — для управления квантовыми состояниями. Система на основе адиабатической ячейки (параметрона) представляет собой устройство, по которому течет ток, когда на него действует внешнее магнитное поле. При охлаждении до криогенных температур (близких к абсолютному нулю) система функционирует в квантовом режиме. В этом случае ток может устойчиво циркулировать либо по часовой стрелке (условно квантовое состояние «0»), либо против (квантовое состояние «1»). Кроме того, каждый элемент системы (параметрон) может находиться в суперпозиции обоих состояний одновременно — это и позволяет использовать их в качестве кубитов. Эти стационарные состояния могут сохраняться довольно долго, а потому использоваться для хранения квантовой информации.
Однако элементы системы способны не только хранить, но и передавать информацию. В этом случае адиабатический квантовый параметрон переходит из стационарного состояния с постоянно протекающим током в режим так называемого «летающего» кубита, передающего данные. Это происходит благодаря тому, что вместо статического (постоянного) тока между элементами возникает динамическая волна переключений, последовательно распространяющаяся по цепочке. Каждое такое переключение приводит к согласованному изменению направления тока в соседних элементах — от «0» к «1» или наоборот. В результате всю систему можно сравнить с падающим домино — каждая следующая фишка при падении «повторяет» состояние предыдущей. При этом сам передаваемый по такой цепочке импульс сохраняет свою форму и энергию, что делает передачу информации устойчивой к помехам.
Ключевое преимущество этого подхода заключается в том, что всего один физический процесс — циркуляция сверхпроводящего тока под действием магнитного поля — обеспечивает как стационарное хранение, так и передачу квантовых состояний. Переход между режимами при этом осуществляется через точное управление внешним магнитным полем. При этом адиабатические квантовые параметроны имеют величину в десятки или сотни микрометров, благодаря чему оказываются миниатюрнее, чем стандартные микроволновые резонаторы, размеры которых варьируются от сотен микрометров до миллиметров.
«Разработанная энергоэффективная и компактная система с "летающими" кубитами ускорит переход к практическому использованию квантовых технологий. Она поможет снизить стоимость и упростить масштабирование вычислительных систем, что открывает путь к компактным решениям для передачи и обработки квантовой информации. Кроме того, результаты исследования могут быть полезны при создании квантово-нейроморфных гибридных вычислительных и телекоммуникационных систем, где для расчетов используется мощность как нейроморфных (на основе нейросетей), так и квантовых подходов к обработке информации», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Марина Бастракова, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры теоретической физики, заведующая лабораторией теории наноструктур Нижегородского государственного университета имени Н.И. Лобачевского.
Информация и иллюстрация предоставлены пресс-службой Российского научного фонда
