Кіріспе

Кванттық есептеуді іске асыру. Суперөткізгіш кванттық есептеу – қатты денедегі кванттық есептеудің бір саласы болып табылады, ол суперөткізгіш электрондық тізбектерді, суперөткізгіш кубиттерді жасанды атомдар немесе кванттық нүктелер ретінде пайдаланады. Суперөткізгіш кубиттер үшін екі логикалық күй – негізгі күй және қозған күй, тиісінше белгіленеді. IBM, IMEC, BBN Technologies, Rigetti және Intel сияқты компаниялар осы бағытта жұмыс істеп жатыр. Көптеген жақында жасалған ҚӨБ (кванттық өңдеу бірліктері немесе кванттық чиптер) суперөткізгіш архитектураны қолданады. 2016 жылғы мәліметтер бойынша, 1D массивте 9-ға дейін толық басқарылатын кубит, ал 2D архитектурада 16-ға дейін демонстрацияланды.

Өмірбаян

Классикалық есептеу модельдері классикалық механика заңдарына сәйкес келетін физикалық іске асырылуларға негізделген. Классикалық сипаттамалар салыстырмалы түрде көп атомдардан тұратын белгілі бір жүйелер үшін ғана дұрыс. Табиғаттың толыққанды сипаттамасын кванттық механика береді. Кванттық есептеу классикалық жуықтаудан тыс кванттық құбылыстарды зерттейді, кванттық ақпаратты өңдеу және байланыс жүргізу мақсатында. Кванттық есептеудің әртүрлі модельдері бар, бірақ ең көп таралғандары кубиттер мен кванттық қақпаларды (немесе қақпаға негізделген суперөткізгіш кванттық есептеу) қамтиды. Суперөткізгіштер төмен температурада шексіз өткізгіштікке және нөлдік кедергіге ие болғандықтан қолданылады. Әрбір кубит LC контуры бар жартылай өткізгіштік схемалар арқылы жасалады: конденсатор мен индуктор. Суперөткізгіш конденсаторлар мен индукторлар энергияны аз шығындататын резонанстық схема жасау үшін қолданылады, себебі жылу кванттық ақпаратты бұзуы мүмкін. Суперөткізгіш резонанстық схемалар – кубит ретінде қолданылатын жасанды атомдар класы. Кванттық схемалардың теориялық және физикалық іске асырылуы мүлдем өзгеше. Кванттық схеманы іске асыру өзіндік қиындықтарға толы және ДиВинченцоның критерийлеріне сәйкес болуы керек – бұл теориялық физик Дэвид П. ДиВинченцо ұсынған шарттар. Бұл критерийлердің алғашқы бесеуі кванттық компьютердің кванттық механика постулаттарына сәйкес келетінін қамтамасыз етеді, ал қалған екеуі осы ақпаратты желі арқылы беруге қатысты. Біз осы атомдардың негізгі және қозған күйлерін 0 және 1 күйлерімен байланыстырамыз, себебі бұл дискретті және ерекше энергия мәндері, демек кванттық механика постулаттарына сәйкес келеді. Алайда, мұндай құрылымда электрон бірнеше басқа энергиялық күйлерге секіріп, біздің қозған күйімізге шектелмейді. Сондықтан, жүйе негізгі күйден қозған күйге секіру үшін қажетті энергия айырмасы бар фотондардың ғана әсеріне ұшырауы керек. Бірақ, бұл бір үлкен мәселені қалдырады – энергия деңгейлеріміздің арасындағы тең емес арақашықтық болуы керек, себебі бірдей энергиясы бар фотондар көршілес күйлер арасында ауысуға себеп болуы мүмкін. Джозефсон тораптары – кубитті іске асыру үшін маңызды сызықтық емес индуктивтілігі бар суперөткізгіш элементтер. Купер жұптары әлсіз байланысқан және Ферми энергиясынан төмен энергия деңгейіне ие. Купер жұптарын құрайтын электрондар тең және қарама-қарсы импульс пен спинге ие, сондықтан Купер жұбының жалпы спині – бүтін сан. Осылайша, Купер жұптары бозон болып табылады. Суперөткізгіш кубиттік модельдерде ниобий мен тантал қолданылған, екеуі де d-жолақты суперөткізгіштер.

Бозе-Эйнштейн конденсаттары

Абсолюттік нөлге дейін салқындатылғаннан кейін, бозондар жиынтығы ең төменгі энергиялық кванттық күйге (негізгі күйге) құлайды, нәтижесінде Бозе-Эйнштейн конденсаты деп аталатын материяның жаңа күйі пайда болады. Фермиондардан өзгеше, бозондар бірдей кванттық энергия деңгейін (немесе кванттық күйін) иелене алады және Паулидің тыйым салу принципіне бағынбайды. Классикалық тұрғыдан алғанда, Бозе-Эйнштейн конденсатын кеңістікте бірдей орында орналасқан және бірдей импульсқа ие бірнеше бөлшектер ретінде қарастыруға болады. Бозондар арасындағы өзара әрекеттесу күштерінің минималды болуы Бозе-Эйнштейн конденсатына тиімді түрде суперөткізгіш сипат беруге мүмкіндік береді. Осы себепті, суперөткізгіштер кванттық есептеулерде қолданылады, себебі олар дерлік шексіз өткізгіштікке және дерлік нөлдік кедергіге ие. Демек, суперөткізгіштердің қалыпты өткізгіштерден екі есе артықшылығы бар: теория бойынша, олар сигналдарды дерлік жылдамдықпен жіберуге және энергия жоғалтпастан мәңгілік жұмыс істеуге қабілетті. NASA-ның ғарыштағы Суық атомдар зертханасын жақында дамытуы, Бозе-Эйнштейн конденсатын оңайрақ жасауға және ұзақ уақыт бойы (жылдам таралусыз) сақтауға мүмкіндік беретіндіктен, суперөткізгіш кванттық компьютерлерді іске асыру перспективасын одан да үміткер етеді.

Электрлік схемалар

Артық өткізгіш электронды схеманың (электр элементтерінің желісі) әрбір нүктесінде заряд ағынын сипаттайтын конденсат толқын функциясы белгілі бір күрделі ықтималдық амплитудасымен жақсы анықталады. Типикалық өткізгіш электр схемаларында да осы сипаттама жеке заряд тасымалдаушылар үшін де дұрыс, бірақ әртүрлі толқын функциялары макроскопиялық талдауда орташаланады, нәтижесінде кванттық эффектілерді байқау мүмкін болмайды. Конденсат толқын функциясы макроскопиялық кванттық эффектілерді жобалау және өлшеуге мүмкіндік береді. Бор моделіндегі дискретті атомдық энергия деңгейлеріне ұқсас, артық өткізгіш контурға тек дискретті магниттік ағым кванттары ғана енуі мүмкін. Екі жағдайда да квантталу күрделі амплитуданың үзділігінен туындайды. Кванттық компьютерлердің микроскопиялық іске асырылуларынан (мысалы, атомдар немесе фотондардан) айырмашылығы, артық өткізгіш схемалардың параметрлері оларды құрайтын электр элементтеріне (классикалық) мәндерді тағайындау арқылы, мысалы, сыйымдылықты немесе индуктивтілікті реттеу арқылы анықталады. Электр схемасының кванттық механикалық сипаттамасын алу үшін бірнеше қадам қажет. Біріншіден, барлық электр элементтері классикалық схемалар үшін қолданылатын макроскопиялық ток пен кернеу сипаттамаларымен емес, конденсат толқын функциясының амплитудасы мен фазасымен сипатталуы керек. Мысалы, кеңістіктегі кез келген нүктедегі толқын функциясының амплитудасының квадраты сол жерде заряд тасымалдаушыны табу ықтималдығына сәйкес келеді. Сондықтан амплитуданың квадраты классикалық заряд таралуына сәйкес келеді. Электр схемасының кванттық механикалық сипаттамасын алудың екінші шарты – жүйе желісіндегі әрбір түйінде жалпыланған Кирхгофф заңдарын қолданып, жүйенің қозғалыс теңдеулерін алу. Соңында, бұл қозғалыс теңдеулерін Лагранж механикасына сәйкес қайта құру керек, нәтижесінде жүйенің жалпы энергиясын сипаттайтын кванттық Гамильтониан алынады.

Өңдеу

Суперөткізгіш кванттық есептеу құрылғылары әдетте радиожиілік спектрінде жобаланады, 15 мК-тан төмен температурада сұйыту тоңазытқыштарында салқындатылады және жиілік синтезаторлары мен спектр талдағыштары сияқты дәстүрлі электрондық құралдармен басқарылады. Типик өлшемдер микрометр диапазонында болады, субмикрометрлік ажыратымдылықпен, жақсы қалыптасқан интегралды схема технологиясын пайдаланып Гамильтондық жүйені ыңғайлы жобалауға мүмкіндік береді. Суперөткізгіш кубиттерді өндіру литография, металл жабу, балқыту және бақыланатын тотығу процестері арқылы жүзеге асырылады. Өндірушілер суперөткізгіш кубиттердің өмір сүру ұзақтығын жақсартуды жалғастыруда және 2000 жылдардың басынан бері маңызды жетістіктерге қол жеткізді.

Жозефсон тораптары

Супержетекші кванттық схемалардың ерекше бір белгісі – Джозефсон түйіндерін қолдану. Джозефсон түйіндері – бұл қалыпты өткізгіштерде кездеспейтін электр элементі. Естеріңізге сала кетейік, түйіс – бұл бірнеше атом қалыңдығындағы жұқа изолятор қабатының екі жағындағы екі сымның (бұл жағдайда – суперөткізгіш сымдардың) әлсіз байланысы, көбінесе көлеңкелі булану әдісі арқылы іске асырылады. Нәтижесінде пайда болған Джозефсон түйісі құрылғысы Джозефсон эффектісін көрсетеді, яғни түйіс супертокты тудырады. Джозефсон түйісінің бір мысалы оң жақта көрсетілген. Түйістің екі жағындағы конденсация толқындық функциялары әлсіз байланысты, яғни олардың әртүрлі суперөткізгіш фазалары болуы мүмкін. Бұл сызықтық емес ерекшелік, үздіріссіз суперөткізгіш сымнан өзгеше, онда толқындық функция түйіс бойында үздіріссіз болуы керек. Түйіс арқылы ток ағыны кванттық туннельдеу арқылы жүзеге асады, бір жағынан екінші жағына «сезімтал түрде» туннельдейтіндей көрінеді. Бұл туннельдеу құбылысы кванттық жүйелерге тән. Осылайша, кванттық туннельдеу сызықтық емес индуктивтілікті жасау үшін қолданылады, бұл кубит дизайны үшін өте маңызды, өйткені энергия деңгейлері дискреттелген (немесе кванталданған) және энергия деңгейлері арасындағы аралық тең емес болатын гармониялық емес осцилляторларды құруға мүмкіндік береді, олар трансмон, Xmon және квантроний деп аталады. Кез келген кубит іске асыру үшін логикалық кванттық күйлер физикалық жүйенің әртүрлі күйлеріне (әдетте дискретті энергия деңгейлеріне немесе олардың кванттық суперпозицияларына) бейімделеді. Үш архетиптің әрқайсысы Джозефсон энергиясының зарядтау энергиясына қатынасының ерекше диапазонына ие. Джозефсон энергиясы – ток өткен кезде Джозефсон түйісінде сақталатын энергияны, ал зарядтау энергиясы – түйістің жалпы сыйымдылығын зарядтау үшін бір Купер жұбына қажетті энергияны білдіреді. Джозефсон энергиясын былай жазуға болады [[Файл:Energy scales for qubits.png|thumb|Джозефсон энергиясы мен зарядтау энергиясының қатынасы бойынша әртүрлі суперөткізгіш кубит архетиптерінің графигі, оң жақта түсіндірмелер бар. Сол жақтағы жоғарғы сурет унимон электр схемасын көрсетеді. Оң жақтағы жоғарғы сурет флюксоний схема компоненттерін, ал оң жақтағы төменгі сурет кішкентай аумақты Джозефсон түйісін бейнелейді]]. Флюксоний кубитінің «оптималды нүктеде» (sweet spot) орналасуының тағы бір маңызды артықшылығы – жоғары гармониялық еместік, бұл жылдам жергілікті микротолқынды басқаруға мүмкіндік береді және спектрлік тығыздық проблемаларын азайтады, соның нәтижесінде жақсы масштабтауға қол жеткізіледі.

Зарядты кубит

Зарядты кубит, сондай-ақ Купер жұптық қорап деп аталады, Джозефсон энергиясының зарядтау энергиясына қатынасы шамамен бірдей мәнде болады. Зарядты кубиттер үшін әр түрлі энергия деңгейлері суперөткізгіш аралдағы Купер жұптарының толық санына сәйкес келеді (бақыланатын заряд тасымалдаушылар саны бар шағын суперөткізгіш аймақ). Шындығында, алғашқы тәжірибелік түрде жасалған кубит 1999 жылы қол жеткізілген Купер жұптық қорап болды.

Трансмон

Трансмондар - бұл шуды азайтуға арналған шунтталған конденсаторға ие кубиттердің ерекше түрі. Трансмон кубит моделі Купер жұптық қорына негізделген (жоғарыдағы кестеде бірінші қатардың бірінші бағанында көрсетілген). Бұл сондай-ақ кванттық басымдылықты көрсеткен алғашқы кубит болды. Жозефсон энергиясының заряд энергиясына қатынасының жоғарылауы шуды азайтады. Екі трансмонды байланыстыру үшін байланыс конденсаторы қолданылады. Xmon – бұл, негізінен, реттелетін трансмон. Трансмон және Xmon кубиттерінің басты ерекшелігі – Xmon кубиттері конденсаторлық пластиналарының біреуімен жерге қосылған.

Гетемон

Трансмон кубитінің тағы бір түрі – Гатэмон. Ксмон сияқты, Гатэмон да трансмонның күйлене алатын түрі болып табылады. Гатэмон шлюздік кернеу арқылы күйленеді. сурет|3 Unimons (көк түс) -тан тұратын, әрқайсысы резонаторларға (қызыл түс), жетектеу сызықтарына (жасыл түс) және ортақ зондтық сызықтарға (сары түс) қосылған суперөткізгіштік схема.

Бірыңғай кубиттер

Гигагерцтік энергиялық айырма суперөткізгіш кубиттің энергия деңгейлері арасындағы айырма, терагерцтік айырмаға (жоғары жиілік диапазонында жабдықтың жетіспеуіне) байланысты қолданыстағы электрондық құралдармен үйлесімді болу үшін жобаланған. Суперөткізгіштің энергиялық айырмасы жұмыс істеудің максималды шегін ~1 ТГц-тан төмендейді, одан асып кетсе Купер жұптары ыдырайды, сондықтан энергия деңгейлерінің айырмасы тым жоғары болмауы керек. Екінші жағынан, салқындату талаптарына байланысты энергия деңгейлерінің айырмасы тым кішкентай болмауы тиіс: 1 К температура 20 ГГц энергия тербелісін білдіреді. Сұйыту тоңазытқыштарында ондаған милликельвин температураға жетуге болады, бұл кубиттің ~5 ГГц энергия деңгейлерінің айырмасында жұмыс істеуіне мүмкіндік береді. Кубиттің энергия деңгейлерінің айырмасы жиі арнайы түзету тогының желісін басқару арқылы реттеледі, бұл кубиттің параметрлерін дәл баптауға мүмкіндік беретін "реттегіш" құрал болып табылады.

Қимыл-қозғалысты біріктіру

Кубиттерді жұптастыру қабілеті 2 кубит қақпаларын іске асыру үшін маңызды. Екі кубитті жұптастыру оларды аралық электрлік байланыс тізбегіне қосу арқылы жүзеге асырылуы мүмкін. Тізбек тұрақты элемент (мысалы, конденсатор) немесе басқарылатын (DC SQUID сияқты) болуы мүмкін. Бірінші жағдайда, қақпа өшірілген кезде кубиттерді ажырату, оларды бір-бірінен резонанстан шығару арқылы, олардың есептеу күйлері арасындағы энергиялық айырманы өзгерту арқылы қол жеткізіледі. Бұл тәсіл физикалық электрлік тізбек қосылған кубиттер арасына орналастырылуы керек болғандықтан, тек жақын көрші кубиттерді байланыстырумен шектеледі. Атап айтқанда, D Wave Systems жүйесінің жақын көрші байланысы Химера графигі конфигурациясында 8 кубиттік жоғары байланысқан жасушаны қамтамасыз етеді. Кванттық алгоритмдерге көбінесе кез келген кубиттер арасында байланыс қажет болады. Осының салдарынан бірнеше алмастыру операциялары қажет, бұл процессордың когеренттілігін жоғалтуына дейін кванттық есептеу ұзақтығын шектейді.

Кванттық шина

Екі немесе одан көп кубиттерді біріктірудің тағы бір әдісі – кванттық автобус арқылы, кубиттерді осы аралыққа жұптастыру арқылы. Кванттық автобус көбінесе кванттық гармоникалық осциллятор арқылы модельделген микротолқынды қуыс ретінде жүзеге асырылады. Жұптасқан кубиттер автобусқа және бір-біріне резонансқа кіріп-шығуға болады, бұл ең жақын көрші шектеуін жояды. Бұл байланысты сипаттайтын формализм – қуыс кванттық электродинамикасы. Қуыс кванттық электродинамикасында кубиттер атомдардың оптикалық фотон қуысымен өзара әрекеттесуіне ұқсас, бірақ электромагниттік сәулеленудің THz режиміне қарағанда GHz жиілігімен. Бұл жасанды атомдар арасындағы резонанстық қоздыру алмасуы көп кубиттық қақпаларды тікелей іске асыру үшін әлеуетті пайдалы. Қараңғы күй коллекторын, Хазали Мёльмер схемасын, селективті микротолқынды басқаруды қолдану арқылы. Резонанстан тыс басқару дифференциалды AC Старк ығысын тудыру үшін пайдаланылуы мүмкін, бұл барлық микротолқынмен басқарылатын фазалық қақпаларды іске асыруға мүмкіндік береді.

ДиВинченцоның критерийлері

ДиВинченцоның критерийлері – логикалық кубитті іске асыруға қабілетті физикалық жүйеге қойылатын талаптарды сипаттайтын тізім. Суперөткізгіш кванттық есептеулердің іске асырылуы ДиВинченцоның критерийлерін қанағаттандырады. Суперөткізгіш кванттық есептеулер саласындағы қазіргі даму жұмыстарының көп бөлігі қосымша литографиялық қабаттарды қолдана отырып, 3-өлшемде өзара байланыс, басқару және оқу мүмкіндіктерін жетілдіруге бағытталған. Физикалық жүйенің логикалық кубитті іске асыру үшін ДиВинченцоның критерийлерінің тізімі суперөткізгіш кубиттерді іске асыру арқылы толыққанды орындалады. ДиВинченцоның бастапқыда ұсынған критерийлері кванттық компьютерді физикалық түрде іске асыру үшін қажетті бес талаптан тұрса да, толық тізімде жеті талап бар, себебі ол компьютерлер арасында кванттық ақпаратты таратуға қабілетті компьютерлік желі арқылы байланысты, яғни «кванттық интернетті» де ескереді. Сондықтан, алғашқы бес критерий сәтті кванттық есептеуді қамтамасыз етеді, ал соңғы екі критерий кванттық байланысқа мүмкіндік береді. Жақсы сипатталған кубиттері бар, кеңейтілген физикалық жүйе. «Жақсы сипатталған» дегеніміз – Гамильтон функциясы нақты анықталған болуы керек, яғни кубиттің энергиялық өзіндік күйлерін сандық түрде өлшеуге болады. Кванттық компьютерлердің басты қиындығы осында: кубиттердің саны артқан сайын, шығындар мен басқа физикалық іске асырулар экспоненциалды түрде өседі, бұл олар ұсына алатын артық жылдамдыққа қарағанда кемшілікке айналады. Фидуциалдық күй – оңай және тұрақты түрде қайта жаңартылатын күй, ол кванттық есептеулерде кубиттердің бастапқы күйін кепілдік беру үшін пайдалы. Суперөткізгіш кубитті бастаудың ең қарапайым жолы – кубиттердің негізгі күйіне толыққанды түсуі үшін жеткілікті ұзақ күту. Кубиттік потенциалды түзету тетіктерімен басқару жылдам инициализациялау механизмдерін қамтамасыз етеді. Ұзаққа созылатын когеренттілік уақыты. Жақында құрылғылардың когеренттілігін жақсарту үшін схема материалдарын тазарту және шу көздеріне төмен сезімталдығы бар кубиттерді жобалау стратегиялары қолданылды. Бұл критерий екі трансмонды байланыс конденсаторы арқылы қосу арқылы да орындалуы мүмкін.

Қиындықтар

Суперөткізгіш кванттық есептеулердің басты қиындықтарының бірі Бозе-Эйнштейн конденсаты сияқты суперөткізгіштердің өте төмен температуралары болып табылады. Суперөткізгіш кубиттерді жобалаудағы басқа негізгі қиындықтар – потенциалдық ұңғыманы қалыптастыру және бөлшектердің массасын мұқият таңдау, сонда екі нақты энергия деңгейі арасындағы энергия айырмасы бірегей болып, жүйедегі басқа деңгейлер арасындағы барлық энергия айырмасынан ерекшеленуі керек, себебі осы екі деңгей кубиттің логикалық күйлері ретінде қолданылады. Суперөткізгіш кванттық есептеулер сондай-ақ кванттық шуды (жүйенің қоршаған ортамен өзара әрекеттесуден туындаған бұзылыстары) және ақпараттың жоғалуын (ағып кетуді) азайтуы керек. Ағып кетуді азайтудың бір жолы – жұптылық өлшемдерін қолдану. 1999 жылы ғасыр соңында Ясунобу Накамураның мақаласы жарияланды, онда қазір «заряд кубиті» деп белгілі суперөткізгіш кубиттің бастапқы дизайны көрсетілді. Бұл кейінірек жасалған жобаларға түзетулер енгізілген негізгі нүкте болды. Бұл бастапқы кубиттердің ұзақ когеренттік уақытты сақтау және деструктивті өлшемдер жасау тұрғысынан шектеулері болды. Осы бастапқы жетістікті одан әрі жетілдіру фазалық және ағын кубитінің ойлап табылуына, содан кейін кеңінен және негізінен суперөткізгіш кванттық есептеулерде қолданылатын трансмон кубитінің пайда болуына әкелді. Трансмон кубиті бастапқы дизайндарды жетілдіріп, кубиттің заряд шуын одан әрі азайтады. IBM компаниясы суперөткізгіш кубиттер мен трансмон кубитін де қамтитын кванттық компьютерлері үшін келесі жол картасын жариялады. 2021 жыл: 2021 жылы IBM 127 кубиттік процессорын ұсынды. 2022 жыл: 9 қарашада IBM «Оспрей» деп аталатын 433 кубиттік процессорын жариялады. 2023 жыл: IBM 1121 кубиттік «Кондор» кванттық процессорын шығаруды жоспарлап отыр.