Дослідники MIT підсилили зв’язок світла з матерією для квантових чипів

03 травня 2025 р. 19:59

03 травня 2025 р. 19:59

Дослідники з Массачусетського технологічного інституту продемонстрували безпрецедентно сильний нелінійний зв’язок між світлом і матерією у квантовій схемі, що потенційно дозволить прискорити операції квантових комп’ютерів у десять разів.

Революційний підхід до квантових обчислень

Квантові комп’ютери мають величезний потенціал для моделювання нових матеріалів та вдосконалення алгоритмів машинного навчання. Проте їх ефективність суттєво обмежена швидкістю вимірювання та обробки квантової інформації. Командою дослідників створено технологічне рішення, що долає це обмеження.

Науковці розробили нову архітектуру надпровідної схеми з потужним нелінійним зв’язком. Вона функціонує приблизно у десять разів ефективніше за попередні системи. Така продуктивність наближає нас до створення відмовостійких квантових комп’ютерів.

Ключовим у цій роботі є використання особливого типу квантового з’єднувача. Цей пристрій істотно посилює взаємодію між кубітами – базовими одиницями квантової інформації.

Теоретичне підґрунтя та практична реалізація

Дослідження стало результатом багаторічних теоретичних пошуків групи під керівництвом Кевіна О’Брайена. У 2019 році аспірант Юфенг “Брайт” Є приєднався до команди для розробки спеціалізованого детектора фотонів. Це привело до винаходу унікального “квартонного з’єднувача”.

“Більшість корисних взаємодій у квантових обчисленнях походять від нелінійної взаємодії світла і матерії. Якщо ви зможете отримати більш універсальний діапазон різних типів зв’язку і збільшити міцність зв’язку, то ви зможете істотно збільшити швидкість обробки даних квантового комп’ютера” , – пояснює Є.

Нелінійність у цьому контексті означає, що система демонструє властивості, складніші ніж проста сума її компонентів. Коли дослідники подають більший струм у з’єднувач, він створює ще сильнішу нелінійну взаємодію.

Команда розробила архітектуру з квартонним з’єднувачем, сполученим з двома надпровідними кубітами на одному чіпі. Один кубіт функціонує як резонатор, а другий – як штучний атом для зберігання квантової інформації.

Механізм квантового зчитування

Процес квантового зчитування відбувається завдяки освітленню кубіта мікрохвильовими фотонами. Залежно від стану кубіта (0 чи 1), виникає зсув частоти на пов’язаному з ним резонаторі. Вимірювання цього зсуву дозволяє визначити стан кубіта.

Саме нелінійний зв’язок світла з матерією між кубітом і резонатором уможливлює цей процес вимірювання. Запропонований квартонний з’єднувач створює такий зв’язок, приблизно в десять разів сильніший за попередні системи.

“Взаємодія між цими надпровідними штучними атомами і мікрохвильовим світлом, яке передає сигнал, – це, по суті, те, як побудований весь надпровідний квантовий комп’ютер” , – зазначає Є.

Це технологічне рішення відкриває шлях до систем з надзвичайно швидким зчитуванням, що може відбуватися за кілька наносекунд. Проте для практичного використання необхідні додаткові компоненти.

Вирішення проблеми когерентності

Швидкість квантових операцій має критичне значення через обмежений час когерентності кубітів. Когерентність – це період, протягом якого кубіт може зберігати свій стан без втрати інформації. Після цього періоду помилки стають невиправними.

Потужніший нелінійний зв’язок дозволяє квантовій системі працювати швидше та з меншою похибкою. Це означає, що за однаковий проміжок часу когерентності кубіти можуть виконати більше операцій та більше циклів виправлення помилок.

“Чим більше циклів виправлення помилок ви можете зробити, тим меншою буде похибка в результатах” , – пояснює Є. Ця здатність є ключовою для створення відмовостійких квантових систем.

Результати експерименту опубліковані в престижному науковому журналі Nature Communications. Дослідження частково фінансувалося Армійським дослідницьким офісом, Центром квантових обчислень AWS і Центром квантової інженерії MIT.

Перспективи подальших досліджень

Ця робота – не завершення, а лише демонстрація фундаментальної фізики процесу. “Ця робота – не кінець історії. Це демонстрація фундаментальної фізики, але зараз група працює над тим, щоб реалізувати дійсно швидке зчитування” , – говорить О’Брайен.

Для практичного застосування технології необхідно додати фільтри та інші електронні компоненти. Вони дозволять створити повноцінну схему зчитування для інтеграції у більші квантові системи.

Окрім потужного зв’язку світла з матерією, дослідники також продемонстрували надзвичайно сильний зв’язок матерії з матерією. Цей тип взаємодії кубітів також має важливе значення для квантових операцій і стане напрямком майбутніх досліджень.

У довгостроковій перспективі ця технологія може стати вирішальним кроком до створення відмовостійкого квантового комп’ютера. Такі системи необхідні для практичних великомасштабних квантових обчислень, які змінять наш підхід до розв’язання багатьох наукових та інженерних задач.

Наука