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 зондирования."
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 компьютерное 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 опыт в решении проблемы."
По словам Ханхи Пайка, автора-корреспондента и научного сотрудника IBM Quantum, этот документ является призывом к ученым, изучающим материалы, заняться разработкой аппаратного обеспечения для квантовых вычислений.
«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. Прорывы не происходят в одночасье, и мы надеемся, что больше людей в сообществе материалов начнут работать над технологиями квантовых вычислений. Наша статья была написана, чтобы дать сообществу материаловедов всесторонний обзор того, где мы находимся в разработке материалов в области квантовых вычислений, с учетом мнений экспертов в 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, представленные 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 приоритетным «демонстрацию нашей работы» и объяснение причин, по которым мы получили мудрые решения 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 IBM T. J. Watson Research Center, в котором есть крупная исследовательская группа по квантовым вычислениям. Ученые встретились во время симпозиума по материалам для квантовых вычислений, спонсируемого IBM Quantum и Kavli Foundation и проходившего на осеннем собрании Общества исследования материалов в 2019 году.
Затем они потратили большую часть своего времени во время периода пандемии в прошлом году, занимаясь разработкой этого обзорного документа.
«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.