Поделиться
Разработан новый метод создания квантовых компьютеров, позволяющий им работать без сбоев
Один из путей к созданию универсального квантового компьютера на 2024 г. заключается в использовании одиночных атомов, размещенных в кристалле кремния. В опубликованном исследовании, ученые аккуратно вставляли атомы в кристалл с помощью микроскопа и повторяли процесс для формирования массива одиночных атомов, готовых стать кубитами и они достигли результата: показатель точности равен почти 100%.
Создание метода
Исследователи из Университетского Колледжа Лондона (UCL) представили новый метод фабрикации, который может быть использован для построения квантового компьютера с почти нулевым уровнем сбоев. Проект описывает первую успешную попытку надежного размещения отдельных атомов в решетке с момента предложения этой идеи 25 лет назад. Сама работа была опубликована в журнале Advanced Materials.
Первый автор данного исследования доктор Тейлор Сток (Taylor Stock) из UCL, отмечает, что новый метод предоставляет возможность размещать атомы с практически 100% точностью, что является важным прорывом в развитии квантовых компьютеров. Для успешного масштабирования и создания универсального квантового компьютера необходимо автоматизировать этот процесс размещения атомов. Сток добавил, что самые передовые системы квантовых вычислений, находящиеся в стадии разработки на конец марта 2024 г., все еще сталкиваются с двойной проблемой: как уменьшить частоту ошибок кубитов и как увеличить количество кубитов.
Старший автор исследования из Калифорнийского университета в области электроники и электротехники профессор Нил Курсон (Neil Curson) рассказал о том, что возможность поместить атомы в кремний с практически идеальной точностью и так, чтобы мы могли увеличить масштаб - это огромная веха в области квантовых вычислений. Впервые был продемонстрирован способ достижения требуемой точности и масштаба. Курсон добавил, что теперь им предстоит решить огромную инженерную задачу, чтобы сделать это быстрее и проще. Для Нила это первый случай, когда он чувствует уверенность в том, что универсальный квантовый компьютер может быть создан в ближайшее время.
Надежное, атомарно точное изготовление может быть использовано для создания масштабируемого квантового компьютера. До 2024 г. преобладало мнение, что изготовление одиночных атомов с использованием мышьяка будет сопряжено с теми же проблемами, что и с фосфором. Но на основе расчетов ученых, отдельные атомы мышьяка могут быть размещены более надежно, чем фосфор, и исследователи успешно справились с этой задачей. По данным UCL, ученые могут размещать атомы с точностью 97%, но они уверены, что в ближайшем будущем этот показатель может быть увеличен до 100%.
На конец марта 2024 г. метод, разработанный в исследовании, требует расположения каждого атома вручную по одному, что занимает несколько минут. Теоретически этот процесс можно повторять бесконечно, но с практической точки зрения для создания универсального квантового компьютера необходимо автоматизировать его и вывести на промышленный уровень. Это позволят разработчикам создавать массив из миллионов, десятков миллионов или даже миллиардов кубитов.
Квантовый компьютер
Квантовые технологии являются областью технологий, в которых активно используется квантовая физика. То есть технологии, которые возможны только с использованием квантовых физических явлений.
Алгоритм для квантовых компьютеров, разработанный в 1994 г. Питером Шором (Peter Shore), американским математиком и профессором Массачусетского технологического института (MIT). Алгоритм Шора позволяет мощному квантовому компьютеру взломать шифрование криптографическим алгоритмом с открытым ключом (RSA). Это шифрование широко используется при передаче данных через Интернет.
Но есть также четкое предположение, что квантовые компьютеры со временем смогут выполнять множество других вычислений, которые невозможны с помощью обычного компьютера. Поэтому для квантовых компьютеров прогнозируется огромный рыночный потенциал. Другими словами, тех, кто сможет реализовать квантовый компьютер, ждут большие деньги. Ажиотаж также отчасти объясняется тем, что квантовый компьютер так сложно разработать и что он использует квантовые явления, которые для многих непостижимы.
До сих пор неясно, какая физическая система будет составлять квантовые биты, которые можно будет использовать квантово-механически в квантовом компьютере. Одни испытывают фотоны, другие - атомы или ионы, третьи - электроны в сверхпроводящем материале. В некоторых случаях используются механические колебания. Исследования и разработки ведутся на всех этих платформах по всему миру.
Расчеты показывают, что для взлома шифра RSA требуется квантовый компьютер с 10-20 млн квантовых битов. На данный момент самый мощный квантовый компьютер на данный момент - это IBM Quantum Condor с 433 кубитами, так что все еще впереди.
Квантовые явления
Такие явления, как суперпозиция и запутывание - это очень увлекательная часть природы, которая может вызвать удивление и вдохновить людей, на совершенно новые мысли о существовании мира. На март 2024 г. большая часть общества не сталкивается с применением квантовых технологий в повседневной жизни.
Одна из причин этого - сложность создания и поддержания кубитов в стабильном состоянии. Кубиты очень чувствительны к внешним воздействиям и легко теряют свою суперпозицию. Для этого им нужно обеспечить очень низкую температуру (порядка -273℃) и изоляцию от электромагнитных полей. Это требует специального оборудования и большого количества энергии. Другая причина - отсутствие универсальных стандартов и алгоритмов для квантовых вычислений. Разные проекты квантовых компьютеров используют разные физические системы для квантовых вычислений. Разные физические системы имеют свои преимущества и недостатки, такие как скорость, точность, масштабируемость и устойчивость к шумам.
Ученые предполагают, что когда люди начнут использовать квантовые технологии, они перестанут обращать внимание на квантовые явления, лежащие в их основе. Так, собственно, происходит и с другими технологиями, такими как персональные компьютеры и мобильные телефоны. Большинство из пользователей не задумываются о том, как они работают, но понимают, как ими пользоваться.
Индустрия
Квантовая индустрия, пока еще находящаяся на стадии зарождения, обладает потенциалом для значительного влияния на технологии и общество. Квантовые вычисления, одно из самых обсуждаемых приложений, могут произвести революцию во многих областях, таких как машинное обучение (ML) и криптография. Эти компьютеры, использующие принципы квантовой механики, обещают обрабатывать сложные вычисления на скоростях, недостижимых для классических компьютеров. Однако важно отметить, что до практического и повсеместного применения еще много лет, поскольку технология находится на ранней стадии развития.
В 2023 г. рынок квантовых технологий, включая квантовые вычисления, привлек чуть больше $1 млрд нового частного капитала в ходе почти 80 раундов финансирования, что свидетельствует о растущем интересе к этому сектору. Распределение инвестиций свидетельствует об акценте на различных аспектах квантовой индустрии: 48% от общего объема инвестиций было направлено на аппаратные компоненты для квантовых вычислений, 18% - на квантовые компьютеры и 22% - на квантовое зондирование и визуализацию. На разработку программного обеспечения для квантовых вычислений пришлось 6% инвестиций. Эти цифры подчеркивают сложность и разнообразие рынка квантовых технологий.
Индустрия кремниевых полупроводников, стоимость которой на февраль 2024 г. составляла около $550 млрд, может внести свой вклад в развитие этой области, поскольку мышьяк и кремний широко используются при создании полупроводников для классических вычислений. Ожидается, что подход, разработанный в этом исследовании, будет хорошо совместим с текущей обработкой полупроводников и, как ученые надеются, может быть интегрирован после решения инженерных проблем.
В целом, хотя квантовая индустрия обещает революционные достижения в различных областях, важно признать, что эти технологии все еще находятся в зачаточном состоянии. Их полное влияние на технологии и общество будет проявляться в течение нескольких лет по мере продолжения исследований и разработок во всем мире.
Короткая ссылка
