Чрез укротяване на фотоните ще стане възможно да се произведат милиони квантови чипове за кратко време.

Миналата седмица американският стартъп PsiQuantum обяви, че е решил ключовия проблем на квантовите компютри – научил се е как да произвежда масово квантови чипове. Дълго време компанията работеше в затворен режим, докато не привлече вниманието с високопрофилен кръг на финансиране през 2021 г. Миналата година тя успя да получи още две големи инвестиции.

Инженерите на PsiQuantum заложиха на фотонните квантови изчисления, въпреки че повечето експерти смятаха тази технология за безперспективна. Методът позволява информацията да бъде кодирана в отделни частици светлина, което дава три основни предимства: почти пълна липса на интерференция, много висока скорост и директна съвместимост с оптичните мрежи. Въпреки това досега технологията не успяваше да се развие поради сериозни технически трудности: фотоните се движат твърде бързо, лесно се губят и е изключително трудно да бъдат създадени и регистрирани.

В нова статия, публикувана в Nature, която е вече рецензирана, компанията представя оборудване за фотонни квантови изчисления, което може да бъде произвеждано в промишлен мащаб. Разработчиците са уверени: техният подход ще даде възможност да се увеличи мощността на квантовите системи без сериозни ограничения.

Конвенционалните компютри съхраняват информацията под формата на битове – нули и единици. Квантовите системи работят с кубити – квантови битове, които могат да бъдат записани по различни начини. Понастоящем водещи са свръхпроводимите схеми: за да работят, е необходима сложна система за охлаждане, която поддържа температура около абсолютната нула. Google, IBM и Rigetti са избрали именно този подход – компаниите често се хвалят, че уж са постигнали „квантово превъзходство“ (машините им превъзхождат конвенционалните компютри в определени задачи) или „квантова полезност“ (изчисленията могат да се прилагат на практика).

На второ място по популярност са квантовите компютри на базата на уловени йони – те се разработват от IonQ и Honeywell. При тях заредените атоми се държат в специални електромагнитни капани, а кубитите се записват в енергийните състояния на частиците. Съществуват и други технологии: системи с неутрални атоми, силициеви кубити, изкуствени дефекти в диамантите и необичайни фотонни схеми за кодиране. Всички тези решения могат да се купят за голяма сума или да се използват чрез елекоронен облак, но разработчиците предупреждават: засега те са подходящи само за експерименти.

Обикновените битове в съвременните системи работят почти безупречно: грешка (когато нулата случайно се променя в единица) се появява само веднъж на трилион операции. PsiQuantum все още не е постигнал такава прецизност, но показва впечатляващи резултати. Инженерите са създали вълноводи от силициев нитрид, при които сигналът почти никога не се губи, много прецизни детектори, способни да регистрират отделните фотони, и почти перфектни връзки между компонентите. Грешки се появяват само в 0,02% от операциите с един кубит и в 0,8% от случаите, когато се използват двойки кубити.

Най-важният пробив на PsiQuantum е новият начин за преодоляване на грешките в квантовата система. Инженерите са приложили метода на сливане на частиците, който се оказва много по-ефективен от предишните подходи. Сега разработчиците се стремят да направят технологията напълно устойчива на грешки: ако броят на отказите може да бъде сведен до определен минимум, те могат да бъдат елиминирани за неограничено дълго време.

Експертите обаче са скептични към тези твърдения. Обикновено измерванията се извършват само върху няколко или три кубита, докато в една истинска квантова машина всеки изчислителен елемент ще взаимодейства с милиони, милиарди и дори трилиони съседи.

Работата по новата технология е извършена съвместно с производителя на полупроводници GlobalFoundries. Всички важни компоненти – източниците и детекторите на фотони, логическите гейтове и схемите за корекция на грешки – са поместени на един силициев чип. GlobalFoundries вече е произвела милиони такива чипове.