Современная электроника №9/2022

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ 13 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 9 2022 получили название «поле смещения – bias field». Эти продольные поля также могут применяться в качестве «антисме- щения – antibias», отфильтровывающе- го нежелательные переходы в процес- се квантовой эволюции [27]. Исключительно важным моментом, обеспечивающим успешный резуль- тат квантового отжига, является связь между кубитами. Объединение кубитов в квантовых вычислителях реализуется с помощью устройства, получившего в англоязычной литературе название – «coupler». Это устройство, использую- щее свойства «запутанности» кванто- вых частиц, может быть запрограм- мировано так, чтобы в конечной точке квантового отжига оба кубита оказа- лись в одном из четырёх возможных состояний: либо «ноль», либо «едини- ца», либо две противоположные друг другу позиции. Рабочие ячейки современных кван- товых вычислителей с отжигом содер- жат сеть перестраиваемых и связанных между собой ВЧ-сверхпроводящих квантово-интерференционных куби- тов (ВЧ-СКВИД кубиты). Гамильто- ниан составного кубита (Compound Josephson Junction CJJ), содержащий два ДП и SQUID, включает в себя члены, описывающие как квантовые состоя- ния токов сверхпроводимости в пет- ле СКВИД и в самих кубитах, так и маг- нитные потоки, порождаемые этими токами. При наличии внешнего управ- ляющего магнитного поля в формулу гамильтониана добавляется ещё один член, описывающий это поле. Полный гамильтониан, описываю- щий текущее состояние сложной кван- товой системы, включает в себяматрицы, соответствующие каждому компонен- ту системы. Детальный анализ тако- го гамильтониана представляет собой достаточно сложную задачу и требует специальных знаний. Поэтому стоит поверить выводам статьи [28], в которой показано, что текущее состояние состав- ного кубита определяется, кроме всего прочего, непрерывнымвзаимодействи- ем между собой магнитных полей, обу- словленных токами сверхпроводимости самих кубитов и SQUID. Благодаря это- му взаимодействиюкубитынаходятся в связанноммежду собой состоянии. Ины- ми словами, состояние одного кубита однозначно определяет состояние дру- гого кубита, инаоборот. Более подробно работа современных квантовых процес- соров, содержащих JJ кубиты и SQUID, рассмотрены в статье [29]. На рис. 8 [30] показана структурная схема ячейки квантового вычислите- ля с отжигом, содержащая: составной потоковый кубит с двумя ДП (CCJJ); квантовое интерферометрическое устройство (rf – SQUID); компенсатор тока сверхпроводимости (IPC); устрой- ство считывания состояния кубитов (RO); индукционный тюнер (LT) и два внешних регулятора смещения. Про- цесс квантового отжига управляется с помощью потока смещения Ф x ccjj (t). Общий компенсационный ток сме- щения I p q обеспечивается током I g (t). Для управления кубитами использует- ся одна общая линия смещения тока вместо множества индивидуальных для каждого кубита. Смещение CCJJ, в принципе, можно обеспечить для всех кубитов одновременно с использова- нием одного глобального управляю- щего сигнала. Такая схема устойчива к мелким конструктивным отклонениям, кото- рые неизбежно возникают в процессе изготовления и обусловливают вариа- ции критических токов джозефсонов- ского перехода. Для хранения независимых от вре- мени управляющих сигналов, которые могут генерироваться непосредствен- но на кристалле, используется масшта- бируемая программируемая магнит- ная память (programmable magnetic memory – PMM). Приведённая на рис. 8 схема также содержит индукционный тюнер (LT), который предназначен для компенсации изменений индуктивно- сти кубита в процессе настройки меж- кубитных ответвителей [30]. Структура ячейки из таких кубитов обеспечивает однородность попереч- ного магнитного поля, в котором все входящие в систему кубиты ведут себя одинаковым образом [31]. Для решения сложных задач необ- ходимы квантовые вычислители, спо- собные организовать разветвлённую программно-аппаратную платформу, с помощью которой можно было бы формировать соответствующие алго- ритмы. Для этого необходимы кван- товые вычислители с большим коли- чеством кубитов. Если два связанных кубита имеют четыре возможных состояния, определяющие энергети- ческий ландшафт, то три кубита име- ют уже восемь таких состояний. Коли- чество возможных состояний растёт в геометрической прогрессии с числом кубитов, значительно расширяя энер- гетический ландшафт и увеличивая степень сложности решаемой задачи. С другой стороны, добавление коли- чества кубитов катастрофически уве- личивает шум, не позволяя различать текущее состояние кубитов на уров- не электронных помех. Кроме того, квантовая система, содержащая более десяти кубитов, перестаёт вести себя в полном соответствии с современной теорией квантовой физики. В этой статье мы не будем сосредо- тачиваться на этих вопросах. Эти спе- циальные, очень непростые с точки зрения математического аппарата, вопросы рассмотрены, например, в статьях [32, 33]. Учитывая проблемы, связанные с мас- штабированием, в современных вычис- лителях с квантовым отжигом кубиты объединяют в вычислительные кла- стеры, которые, в свою очередь, объе- диняются в сложные топологические сети (quantum processing unit – QPU). Выбор схемы объединения кубитов обусловлен несколькими факторами. Во-первых, универсальная тополо- гия должна обеспечить возможность использования различных по структуре квантовых алгоритмов. Во-вторых, важ- но то, каким именно способом реализу- ется управление кубитами с помощью специального встроенного модуля. В качестве примера можно привести разработанный вфирме D-Wave Systems Inc «встраиваемый сверхпроводящий цифро-аналоговый конвертер магнит- ного потока с ультранизким потре- блением (ultra-low power embedded superconducting digital-to-analog flux converters – SDACF). Этот конвертер позволяет обеспечить максимальную плотность магнитного потока на еди- нице площади [34]. Следует отметить, что предложенные в данной работе идеи в дальнейшем нашли своё воплощение в приклад- ных проектах. Например, исследова- тели проекта Flux Quantum Electronics (FQE) использовали свойства кубитов с ДП для разработки криогенных сверх- Рис. 8. Структурная схема ячейки квантового вычислителя с отжигом, содержащая составной потоковый кубит с двумя JJ [30]