Внутри чипа не шире ногтя мизинца квантовый компьютер записывает информацию крошечными колебаниями — прорыв, который может изменить саму архитектуру таких машин. Обычно квантовый компьютер не вызывает ассоциаций с музыкальными инструментами, но в устройстве, созданном в ETH Zurich, данные хранятся в вибрациях, напоминающих ноты, резонирующие в гитаре.

Услышать эти движения невозможно: они происходят на чрезвычайно высоких частотах внутри микроскопических механических резонаторов. Пакеты колебательной энергии — фононы — несут квантовую информацию. Экспериментальный чип имеет длину около 7,5 мм, ширину 2,5 мм и толщину 1 мм, что сопоставимо с небольшой ногтевой пластиной. Группа под руководством квантового физика Ивэнь Чу (Yiwen Chu) превратила эти миниатюрные резонаторы в рабочую память, подключённую к сверхпроводящему квантовому процессору. Результаты, опубликованные в журнале Science, демонстрируют иной способ организации квантового компьютера — такой, что ближе к базовой структуре привычных нам классических машин.

«Взаимодействие между квантовым процессором и квантовой памятью создаёт важнейшую основу для превращения квантовых компьютеров в мощный и надёжный инструмент для вычислений, недоступных обычным компьютерам», — говорит Ивэнь Чу.

Архитектура процессора и памяти — как в обычном ПК

Большинство квантовых систем не проводят чёткой границы между вычислением и памятью. Обработка и хранение информации часто тесно интегрированы в одном и том же оборудовании, что затрудняет расширение машины без добавления громоздких компонентов. Команда Чу позаимствовала знакомую идею из обычных компьютеров: в цифровом устройстве центральный процессор выполняет расчёты, а данные временно хранятся в оперативной памяти. Разделение этих задач позволяет процессору извлекать информацию по мере необходимости, вместо того чтобы заставлять каждый элемент системы выполнять все функции.

Экспериментальная квантовая архитектура следует тому же принципу. Сверхпроводящий кубит выступает в роли процессора и управляющего блока, а механические резонаторы удерживают квантовую информацию во время вычислений. «В нашей квантовой рабочей памяти информация хранится не электромагнитно, как это обычно делается сегодня, а в форме механических вибраций», — поясняет Чу.

Как работает вибрационная квантовая память

Кубит принципиально отличается от классического бита, который представляет либо 0, либо 1. Квантовые состояния могут существовать в комбинациях, называемых суперпозициями, и запутываться друг с другом. Эти свойства в перспективе позволят квантовым компьютерам решать определённые задачи гораздо эффективнее обычных машин, хотя создание оборудования, способного сохранять и контролировать столь хрупкие состояния, остаётся серьёзной проблемой.

Система из Цюриха хранит информацию в конкретных колебательных модах внутри резонаторов. Когда процессору требуются данные, сверхпроводящий кубит взаимодействует с выбранной модой, изменяет её квантовое состояние и возвращает в память. Так возникает разделение труда между двумя технологиями с разными сильными сторонами. Сверхпроводящие кубиты способны выполнять быстрые операции и обеспечивать нелинейное поведение, необходимое для квантовой логики. Механические резонаторы компактны, поддерживают множество отдельных колебательных мод и могут сохранять квантовые состояния сравнительно долго.

Многие существующие конструкции используют электромагнитные резонаторы в качестве памяти, поскольку те поддаются исключительно точному контролю и уже хорошо сочетаются со сверхпроводящими схемами. Однако их размер становится проблемой, когда инженеры пытаются разместить на чипе всё больше элементов памяти и кубитов.

Компактная память с большей ёмкостью

Механические резонаторы способны упаковывать множество мод в гораздо меньшем объёме. Каждая мода может служить отдельной ячейкой для хранения информации, предоставляя одному компоненту доступ к нескольким областям памяти — вместо того чтобы требовать отдельное электромагнитное устройство для каждой из них.

Исследователи уже экспериментально показали, что эти механические моды могут не только пассивно сохранять квантовую информацию. Будучи связанными со сверхпроводящим кубитом, они способны участвовать в программируемой архитектуре, выполняющей квантовые вычисления. Исследование представляет собой доказательство принципа, а не готовый коммерческий компьютер, но оно демонстрирует: память на основе вибраций может работать как практический вычислительный ресурс.

Для проверки конструкции учёные реализовали две важные процедуры: квантовое преобразование Фурье и квантовый поиск периода. «Квантовое преобразование Фурье — фундаментальная вычислительная процедура, необходимая для многих квантовых алгоритмов. Реализованный нами алгоритм поиска периода послужил демонстрацией того, как эту процедуру можно применять», — объясняет Игор Кладарич (Igor Kladaric), докторант в группе Чу и соавтор публикации.

Испытание программируемой квантовой архитектуры

Квантовое преобразование Фурье помогает выявлять закономерности, скрытые в квантовых данных, и служит строительным блоком для нескольких крупных алгоритмов. Поиск периода применяет эту процедуру для идентификации повторяющихся математических структур и тесно связан с некоторыми из наиболее обсуждаемых потенциальных применений квантовых вычислений.

Оба теста требовали, чтобы система подготавливала, хранила, связывала и точно манипулировала несколькими квантовыми состояниями. Архитектура также должна была перемещать информацию между процессором и разными механическими модами памяти, не разрушая когерентность, необходимую для расчёта. Успешные демонстрации показали, что система способна выполнять контролируемые фазовые операции и связывать сохранённые состояния во всей доступной памяти.

В принципе, архитектура включает основные операции, нужные для универсальных квантовых вычислений. Это не означает, что чип уже может превзойти обычные компьютеры. Его важность в другом: он доказывает, что процессор способен управлять компактным набором механических мод памяти и использовать их для выполнения программируемых алгоритмов.

Следующее препятствие — масштаб. Полезный квантовый компьютер потребует гораздо больше памяти, большей вычислительной мощности, низкого уровня ошибок и надёжного контроля над куда более обширным набором квантовых состояний. Теперь исследователям предстоит выяснить, смогут ли механические резонаторы сохранить свои преимущества по мере расширения архитектуры.