Современная электроника №8/2022

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ 28 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 8 2022 дотвращения накопления статического заряда чип окружён медным экраном и золотой проволочной сеткой. В следующем варианте лабораторно- го квантового компьютера NIST-2015 были задействованы два разных иона – один магния, а другой бериллия. При этом использование двух разных лазе- ров с разными длинами волн позволило раздельно управлять кубитами и каж- дым из вентилей CNOT и SWAP [24]. Такой подход в наши дни уже часто можно видеть в различных лаборатор- ных установках с ионными квантовы- ми ловушками. Например, в одной из последних публикаций 2021 года рассмотрены результаты испытаний квантового ком- пьютера Массачусетского технологи- ческого института (MIT, USA), в кото- ром кубиты изготовлены на базе пары ионов кальция и стронция. Управление кубитами осуществляется с помощью инфракрасного и видимого лазеров. Примечательно, что в этой паре ион стронция выполняет функцию кубита, а кальций выполняет функцию коррек- тора ошибок [25]. Отмеченная методика позволяет использовать уникальные преиму- щества различных типов квантовых систем на одной платформе. Каждый вид ионов по-своему уникален. Поэто- му некоторые из них лучше подходят, например, для хранения информации, другие больше приспособлены для ком- муникации между кубитами, а третьи оптимальны с точки зрения специаль- ных вентилей [26]. Направление квантовых компью- теров с ионными ловушками успеш- но развивается в наши дни. Лидером в этой области сейчас является фир- ма Honeywell, квантовый компьютер которой имеет 128 кубитов с ионны- ми ловушками [27]. Кроме крупных фирм направление ионных ловушек развивают и новые, молодые участники рынка. Например, австрийская фирма AQT из универси- тета Инсбрука представила в 2021 году 20-кубитный квантовый компьютер с ионными ловушками. Основное досто- инство, которое рекламируют авторы разработки, заключается в том, что их компьютер имеет минимальные раз- меры и размещён в двух 19-дюймо- вых стандартных приборных стойках (рис. 6) [28]. Кубиты на базе нейтральных ато- мов по числу публикаций за последние несколько лет постепенно выдвигают- ся на роль лидера [29–32]. Сама идея такого типа кубитов заим- ствована из принципа работы совре- менных атомных часов, где использу- ется резонансная частота возбуждения атомов цезия, размещённых в трёхмер- ных ячейках лазерных ловушек [33]. Кубиты на нейтральных атомах име- ют некоторое общее сходство с ионны- ми ловушками. Разница, как следует из названия, заключается в изначаль- но нейтральном состоянии задейство- ванных атомов. В современных техно- логиях с нейтральными атомами для захвата атомов и удержания их на месте используются оптические лазерные ловушки. Кубиты нейтрального атома хранят информацию в своих спиновых состояниях [34]. В системах с нейтральными атомами отдельные атомы можно запрограмми- ровать, объединяя их в различные двух- или трёхмерные конфигурации [35]. Как правило, в этой технологии используются атомы из второй колон- ки периодической таблицы, например, стронций. В общем случае упрощённая схема работы кубита с нейтральными атомами выглядит следующим обра- зом. Из расплава щелочного металла (стронция) отдельные атомы вытя- гиваются в вакуумную камеру. Через специальную оптическую систему эта камера подсвечивается системой перекрещивающихся лазерных лучей, образующих ловушки, в которые попа- дают атомы стронция. На всех пересе- чениях лазерных лучей, таким обра- зом, образуется сетка из нейтральных атомов, которые служат кубитами в адресуемых местах. Захваченные ато- мы находятся на расстоянии несколь- ких микрон друг от друга, что вполне достаточно для предотвращения вза- имодействия ядерных спинов (состо- яний кубитов). С помощью другого набора лазеров атомы теряют свою энергию, затормаживаясь до почти неподвижного состояния. На следующем этапе реализуется про- цесс запутывания кубитов с помощью накачки лазерами с определённой дли- ной волны. При этом атомыщелочных металлов переходят в «ридберговское состояние», при котором внешний электрон нахо- дится в высоковозбуждённом состоя- нии, отдалённом от атома на большое расстояние. В этом виде атом ведет себя скорее как ион, взаимодействуя с соседними атомами, но не позволяя им самим полностью перейти в ридбер- говские состояния. В этом варианте два соседних атома образуют суперпози- цию, в которой оба частично находят- ся в ридберговском состоянии. Примерно такая схема использует- ся, например, фирмой AtomComputing, которая является одним из пионеров квантовых вычислений на нейтраль- ном атоме [36]. В настоящее время Atom Computing использует в своём квантовом ком- пьютере Phoenix систему на 100 куби- тов [37]. Система работает при комнатных температурах. Поскольку система работает с лазерным охлаждением, то в этом методе не нужны сложные и громоздкие криогенные установки. Квантовый процессор на нейтральных атомах легко масштабируется. Для это- го нужно просто использовать боль- ше лазеров. Аналогичная схема используется в Массачусетском технологическом институте (MIT), где разрабатывает- ся компьютер на нейтральных атомах рубидия (рис. 7) [38]. Эта исследова- тельская группа показала, что кванто- вый логический вентиль, состоящий из двух нейтральных атомов, может рабо- тать с гораздо меньшим количеством ошибок по сравнению с другими типа- ми кубитов [39]. Французские учёные из лаборато- рии Charles Fabry Laboratory недавно сообщили об успешных испытаниях трёхмерной конструкции из 72 ней- тральных атомов. Используя голо- графические методы и быстрые про- граммируемые лазерные пинцеты, им удалось создать трёхмерную структу- ру кубитов на нейтральных атомах. Рис. 6. Квантовый вычислительный блок на кубитах с ионными ловушками австрийской фирмы AQT