Новое исследование подчеркивает необходимость улучшения материалов в аппаратном обеспечении, которое используется для создания квантовых компьютеров, если эти футуристические устройства должны превзойти возможности компьютеров, которые мы используем сегодня.

В исследовании, опубликованном в журнале Science международной командой, изучается состояние исследований аппаратного обеспечения для квантовых вычислений с целью проиллюстрировать проблемы и возможности, стоящие перед учеными и инженерами.

В то время как обычные компьютеры кодируют «биты» информации как единицы и нули, квантовые компьютеры преодолевают эту двоичную структуру, создавая «кубиты», которые могут быть сложными, непрерывными величинами. Хранение и манипулирование информацией в этой экзотической форме — и, в конечном итоге, достижение «квантового преимущества», когда квантовые компьютеры делают то, что обычные компьютеры не могут — требует сложного управления лежащими в основе материалами.

«За последние 20 лет произошел взрыв в развитии квантовых технологий», — сказала Натали де Леон, доцент кафедры электротехники и вычислительной техники в Принстонском университете и ведущий автор статьи, — «Что привело к нынешним усилиям по демонстрации квантовых преимуществ для разнообразные задачи, от вычислений и моделирования до сетей и датчиков».

До недавнего времени большая часть этой работы была направлена на демонстрацию квантовых устройств и процессоров, подтверждающих принцип действия, сказал де Леон, но теперь эта область готова к решению реальных проблем.

«Так же, как классическое вычислительное оборудование стало огромной областью материаловедения и инженерии в прошлом веке, я думаю, что область квантовых технологий сейчас созрела для нового подхода, в котором материаловеды, химики, инженеры по устройствам и другие ученые и инженеры могут продуктивно принести их знания, необходимые для решения этой проблемы».

«Эта статья — призыв к ученым, изучающим материалы, заняться разработкой аппаратного обеспечения для квантовых вычислений», — сказала Ханхи Пайк, автор-корреспондент и научный сотрудник IBM Quantum.

«Прогресс в технологиях квантовых вычислений в последние годы ускоряется как в исследованиях, так и в промышленности», — сказал Пайк. «Чтобы продолжить движение вперед в следующем десятилетии, нам потребуются достижения в области материалов и технологий изготовления оборудования для квантовых вычислений — аналогично тому, как классические вычисления прогрессировали в масштабировании микропроцессоров. Прорыв не происходит в одночасье, и мы надеемся, что больше людей в сообщество материалов приступит к работе над технологией квантовых вычислений. Наша статья была написана, чтобы дать сообществу материалов всесторонний обзор того, где мы находимся в разработке материалов в квантовых вычислениях, с мнениями экспертов из этой области».

В основе квантовых компьютеров лежат кубиты, которые работают вместе для получения результатов.

Эти кубиты могут быть изготовлены различными способами: ведущими технологиями являются сверхпроводящие кубиты, кубиты, сделанные из улавливания ионов светом, кубиты, сделанные из кремниевых материалов, используемых в современных компьютерах, кубиты, захваченные в «центрах окраски» в алмазах высокой чистоты, и топологически защищенные кубиты представлены в виде экзотических субатомных частиц. В документе проанализированы основные технологические проблемы, связанные с каждым из этих материалов, и предложены стратегии решения этих проблем.

Исследователи надеются, что одна или несколько из этих платформ в конечном итоге дойдут до стадии, когда квантовые вычисления смогут решать проблемы, которые современные машины считают невозможными, например моделирование поведения молекул и обеспечение безопасного электронного шифрования.

«Я думаю, что в [этой статье] впервые собрана такая исчерпывающая картина. Мы сделали приоритетом« демонстрацию нашей работы »и объяснение причин, лежащих в основе полученных знаний для каждой аппаратной платформы», — сказал де Леон. «Мы надеемся, что такой подход позволит новым участникам рынка найти способы внести большой вклад».

Десять соавторов — представители исследовательских институтов по всему миру, а также исследовательского центра IBM TJ Watson Research Center, в котором есть крупная исследовательская группа в области квантовых вычислений. Ученые встретились во время симпозиума по материалам для квантовых вычислений, спонсируемого IBM Quantum и Kavli Foundation и состоявшегося на осеннем собрании Общества исследования материалов в 2019 году. Затем они провели большую часть своего времени во время пандемии, оставаясь дома в прошлом году, разрабатывая этот обзорный документ.

«Это был отличный опыт работы с группой, обладающей таким разнообразным опытом, и большая часть нашей деятельности заключалась в том, чтобы задавать друг другу сложные вопросы о том, почему мы верим в то, что мы делаем в отношении наших соответствующих материальных платформ», — сказал де Леон, чьи исследования используют недостатки в алмазных материалах для обеспечения связи между узлами в будущем квантовом Интернете.