Современная электроника №8/2022

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ 25 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 8 2022 Рис. 1. Китайский Jiuzhang 2.0 считается одним из самых мощных фотонных квантовых компьютеров в мире концепцию универсального набора одно- и двухкубитных вентилей для квантовых вычислений с использова- нием спиновых состояний связанных одноэлектронных квантовых объектов [5]. Двумя годами позже Ди Винченцо опубликовал условия, необходимые для построения квантового компью- тера [6]. В 1998 году объединённая исследо- вательская группа из Оксфордского, Массачусетского, Калифорнийского университетов и корпорации IBM про- демонстрировали работу алгоритма Дойча–Джозы на 2-кубитном кванто- вом ЯМР – компьютере устройства [7]. Через год другая группа из Лос- Аламоса и Массачусетского тех- нологического института создали 7-кубитный квантовый компьютер с аналогичной схемой ЯМР, но с использованием транс-изомера кро- тоновой кислоты. Использование растворов рез- ко ограничивает масштабирование подобных устройств, количество вза- имодействующих друг с другом моле- кул в рабочем объёме вещества может быть больше сотен миллиардов штук. Кроме того, очень короткое время жизни ЯМР-кубитов и резкое падение когерентности с возрастанием их чис- ла сильно тормозили исследования в этой области. Поэтому большинство лабораторий отказались от примене- ния схемы с ЯМР и перешли на куби- ты другой природы, такие, например, как: сверхпроводники с джозефсонов- ским переходом, ионные ловушки, фотонные кубиты, кубиты на алмаз- ных дефектах, кубиты на нейтраль- ных атомах и другие [8, 9]. Фотонные кубиты были первыми из теоретически возможных вариан- тов кубитов, предложенными Ричардом Фейнманом. В основе идеи использова- ния фотонов в качестве кубитов лежит классический опытЮнга с дифракци- ей света, который в ХХ веке был обо- снован с точки зрения суперпозиции фотонов [10]. Два крайних состояния фотона опре- деляются его поляризацией, которая может быть вертикальной или горизон- тальной либо круговой. Соответствен- но, их суперпозиция – это некоторое промежуточное состояние. В линейных оптических квантовых компьютерах (Linear optical quantum computing – LOQC) для обработки квантовой информации используют- ся линейные оптические элементыили оптические инструменты (включая вза- имные зеркала и волновые пластины) и детекторыфотонов и квантовая память, соответственно для обнаружения и хра- нения квантовой информации. В современных фотонных (оптиче- ских) квантовых компьютерах при- меняется технология «rail-encoding». В этих квантовых чипах выгравирова- ны два волновода, по которым может перемещаться фотон. При этом край- ние состояния кубита определяют- ся как фотон, находящийся в том или ином волноводе [11]. Линейные оптические квантовые компьютеры (Linear optical quantum computing – LOQC) крайне сложны в изготовлении, настройке и эксплуата- ции таких прецизионных элементов, как однофотонные зеркала и светоде- лители, фазовращатели и их комбина- ции, интерферометры Маха – Ценде- ра с фазовыми сдвигами и т.д. Поэтому такие компьютеры эксплуатируются только в нескольких крупных мировых центрах. Например, китайский Jiuzhang 2.0 считается одним из самых мощных фотонных квантовых компьютеров в мире (рис. 1). В 2021 годы исследовательская груп- па, проводившая эксперименты на этом компьютере, заявила, что ими достиг- нуто так называемое «квантовое пре- восходство». По словам руководителя эксперимента: «Jiuzhang 2.0 может реа- лизовать крупномасштабную выборку гауссовых бозонов (GBS) в один септил- лион раз быстрее, чем самый быстрый из существующих в мире суперкомпью- теров КДЛ» [12]. Основным недостатком оптиче- ских квантовых компьютеров счита- ется то, что современный уровень раз- вития этой технологии не позволяет решать сложные задачи, масштабиро- вание системы потребует огромных дополнительных капиталовложений за счёт дорогостоящей оптики и эле- ментов управления. Кубиты на базе сверхпроводящих материалов получили в настоящее вре- мя наибольшее распространение [13]. В основном это произошло благо- даря достаточно простой техноло- гии изготовления, аналогичной той, которая используется при производ- стве современных микрочипов. Прин- цип действия таких кубитов осно- ван на эффекте сверхпроводимости и эффектах в «джозефсоновских контак- тах». При криогенных температурах в сверхпроводниках образуется так назы- ваемый конденсат куперовских пар, состоящий из спаренных электронов и отделённый от остальных энергетиче- ских состояний энергетическойщелью. При этом возникает неопределённость между количеством частиц на грануле сверхпроводника и разностьюфаз вол- новой функции. Если замкнуть сверх- проводник в кольцо, то разность фаз будет обусловливать магнитный поток. Поскольку количество частиц и раз- ность фаз не могут быть точно опре- делены одновременно, то их край- ние положения можно использовать в качестве основных состояний кубита, а текущее состояние – в качестве супер- позиции. Бо ′ льшая часть таких кубитов постро- ена по принципу колебательного кон- тура, содержащего цепь из ёмкости и индуктивности. Основная идея в этой схеме заключается в использовании «джозефсоновских контактов». Эффект Джозефсона (Josephson junction) осно- ван на протекании сверхпроводящего тока через тонкий слой изолятора, раз-