Современная электроника №8/2022

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ 27 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 8 2022 Достаточно подробно основы теории сверхпроводящих кубитов изложены в работе [16]. Сверхпроводящие кубиты работают только при температурах, близких к абсолютному нулю. Поэтому сами куби- ты размещены в специальной холо- дильной машине (dilution refrigerator), внутри которой поддерживается темпе- ратура, близкая к абсолютному нулю. Например, температура кубитов (Fridge Temperature) в процессоре IBM Austin (16) составляет всего 0,0143477 K. Сама по себе установка для получения таких температур является произведе- нием научно-технического творчества. В проекте IBMиспользуется криогенное оборудование «Oxford Triton dilution refrigerator», в котором поддерживает- ся непрерывная циркуляция смеси из жидких He-3/He-4 [17, 18] (рис. 4). Кубиты на базе сверхпроводников с джозефсоновскими переходами исполь- зуются в таких известных проектах квантовых компьютеров, как: Google, IBM, IMEC, BBN Technologies, Rigetti, Intel, а также в адиабатических кванто- вых вычислителях с отжигом D-Wave. Квантовые компьютеры со сверх- проводящими кубитами имеют свои недостатки, ограничивающие их раз- витие на современном технологиче- ском уровне. Основной недостаток заключается в том, что, будучи искус- ственными квантовыми системами, они не могут быть абсолютно одинако- выми. Поэтому уровень шума и вычис- лительных ошибок у этого типа систем выше, чем у универсальных вентиль- ных квантовых компьютеров с кубита- ми на естественно природных кванто- вых элементах. Кубиты с ионными ловушками были предложены ещё в 1995 году. Однако реальные образцы компьюте- ров с ионными ловушками появились только в начале 2000-х [19]. В схеме с ионной ловушкой исполь- зуются атомы с простой электронной структурой, например, кубиты с одним валентным электроном: Be+, Mg+, Ca+, Sr+, Ba+, Zn+, Hg+, Cd+ и Yb+. Снача- ла атомы ионизируются с помощью лазеров с определённой длиной вол- ны излучения. Полученные ионы затем втягиваются в ионную ловушку, схема которой, как правило, является если не прямым аналогом ловушки Пауля, то её некоторой модификацией. В схеме ионной ловушки, изобретённой Вольф- гангом Паулем в 1958 году, использу- ется вращающееся электростатическое поле, модулированное радиочастотным сигналом [20]. В результате электростатические линии образуют фигуру, напомина- ющую нечто, похожее на седло для лошади. Заряженный ион попадает в нижнюю часть седла и удерживает- ся там вращающимся полем. Воздей- ствуя лазером определённой частоты, можно переводить ион в возбуждённое состояние, из которого он будет пере- ходить на более низкие уровни, излу- чая фотоны. Современные техноло- гии позволяют с высокой точностью регистрировать отдельные фотоны. В такой ловушке может быть размеще- но несколько ионов. При этом можно подобрать параметры их состояния таким образом, чтобы они образовы- вали квантовую когерентную систе- му. Это очень грубая схема идеи куби- тов на базе ионов в квантовой ловушке. В действительности ситуация намно- го сложнее, и для её описания необ- ходимо привлекать математический аппарат квантовой механики. С более тщательным объяснением работы кван- тового компьютера на кубитах с захва- ченными ионами можно ознакомить- ся на сайте [21]. Этот сайт «PennyLane» предоставляет модуль qchemдля моделирования про- стых примеров квантовой химии. Он содержит дифференцируемый реша- тель Хартри-Фока (Hartree-Fock) и пре- доставляет функциональные возмож- ности для построения молекулярного гамильтониана, который можно исполь- зовать в качестве входных данных для некоторых квантовых алгоритмов Одним из первых, принявших уча- стие в разработках кубитов на основе ионных ловушек, был Национальный Институт Стандартов и Технологий США (National Institute of Standards and Technology (NIST) [22]. На рис. 5 [23] показан один из лабо- раторных вариантов кубита с ион- ной ловушкой, использованный в лабораторном квантовом компьюте- ре NIST 2011. В этой конструкции два иона бериллия удерживаются электро- статическим полем, модулированным радиочастотой, на расстоянии около 40 микрон друг от друга над квадрат- ным золотым чипом в центре. Для пре- Рис. 4. Внешний вид квантового процессора IBM, размещённого внутри криогенной установки «Oxford Triton dilution refrigerator» Рис. 5. Чип с ионной ловушкой в лабораторном квантовом компьютере NIST 2011