Microsoft объявляет о прогрессе в совершенно новом типе кубита

На данный момент коммерциализированы две основные технологии квантовых вычислений. Один тип устройства, называемый передатчиком, включает сверхпроводящие проволочные петли, прикрепленные к резонатору. Его используют такие компании, как Google, IBM и Rigetti. Такие компании, как Quantinuum и IonQ, вместо этого использовали одиночные ионы, захваченные в световых ловушках. На данный момент обе технологии находятся в критической ситуации. Их эффективность явно доказана, но они нуждаются в значительном улучшении качества и количества, прежде чем они смогут выполнять полезные вычисления.

Может быть немного удивительно видеть, что Microsoft привержена альтернативной технологии, называемой «топологическими кубитами». Эта технология достаточно далека от других вариантов компании только что объявлено Я работал в области физики, чтобы сформировать кубиты. Чтобы лучше понять подход Microsoft, Арс поговорил с инженером Microsoft Четаном Наяком о прогрессе и планах компании.

База кубитов

Microsoft начала отставать от некоторых конкурентов, потому что физика, лежащая в основе ее системы, не была полностью определена. Система компании основана на контролируемом производстве «майорановой частицы», существование которой было доказано только в последнее десятилетие (и даже тогда ее открытие Это было спорно).

Частица получила свое название от Этторе Майораны, предложившего эту идею в 1920-х годах. Проще говоря, майорановская частица является его античастицей. Две майорановские частицы, отличающиеся своим вращением, погибнут, если встретятся. Пока что ни одна из известных частиц не является майорановской (все частицы, кроме нейтрино, таковыми не являются). Но эта концепция сохранилась из-за возможности создания майорановских квазичастиц или набора частиц и полей, которые в определенных контекстах ведут себя так, как если бы они были одной частицей.

Наиболее примечательной квазичастицей, вероятно, является куперовская пара, в которой два электрона спарены таким образом, что их поведение меняется. Куперовские пары необходимы для работы сверхпроводимости.

Наяк сказал, что система Microsoft включает в себя сверхпроводящий провод и сопутствующие ему куперовские пары. В нормальных условиях наличие дополнительного неспаренного электрона увеличивает общую энергию системы. Но в проводе, достаточно маленьком, при наличии магнитных полей можно приклеить электрон к концу провода без затрат энергии. «В состоянии топологического и топологического сверхпроводника вы получаете состояния, которые могут без затрат энергии поглотить лишний электрон», — сказал Наяк.

В квантовой механике электрон не локализован на том конце провода, куда он вставлен; Вместо этого он передается на оба конца. «Две крайности — это действительная и мнимая части квантовой волновой функции, — сказал Наяк. Эти конечные состояния называются нулевыми режимами Майораны, и теперь Microsoft заявляет, что создала их и измерила их свойства.

От квазичастиц к кубитам

Сами по себе нулевые моды Майораны не могут использоваться в качестве кубитов. Но Наяк сказал, что это может быть связано с соседней квантовой точкой. (Квантовые точки — это кусочки материала, размер которых меньше длины волны электрона в этом материале.) Опишите U-образную проволоку с майорановскими нулевыми модами на каждом конце, причем эти концы находятся близко к квантовой точке.

«В качестве гипотетического процесса вы могли бы иметь электронный туннель от квантовой точки в нулевой моде Майораны и электронный туннель от другой нулевой моды Майораны к квантовой точке», — сказал Наяк Ars. Эти обмены изменяют способность квантовой точки накапливать заряд (другими словами, ее емкость) — свойство, которое можно измерить. Наяк также сказал, что соединения между проводом и квантовыми точками можно контролировать, что позволит разделить нулевые шаблоны Майораны, что поможет сохранить их состояние.

Microsoft еще не достигла точки привязки квантовых точек. Но было проделано немало работы, чтобы топологическое состояние работало в проводе. Материалы, которые использует компания, относительно необычны: алюминий в качестве сверхпроводящего провода и арсенид индия в качестве окружающего его полупроводника. Microsoft делает все то же оборудование.