Болометрите срещу квантовия шум: ето как финландските учени успяха да направят невъзможното?

Един новаторски метод за измерване на кубитите обещава да направи революция в квантовите изчисления.

Научната общност за пореден път направи сериозен пробив, който може да промени радикално бъдещето на квантовите изчисления. Изследователската група QCD от Университета Аалто във Финландия демонстрира нов метод за измерване на кубитите, заобикаляйки някои от основните ограничения, наложени от принципа за неопределеност на Хайзенберг.

Понастоящем мащабирането на квантовите компютри чрез увеличаване на броя на кубитите е ограничено не само от технологичните трудности, но и от проблема с нарастващия шум при измерването.

Традиционно използваните параметрични усилватели добавят нежелан шум. А и изискват значително увеличаване на размера на компонентите, за да се предпазят кубитите от декохеренцията. Това е процес, при който квантовата система губи квантовите си свойства. И най-вече способността си за суперпозиция на състоянията. Именно тук влиза в действие новият подход, предложен от финландските учени.

Използвайки термични болометри, които вече се доказаха като изключително чувствителни детектори, екипът от Университета Аалто показа, че те могат да се използват за точно еднократно отчитане на състоянията на кубитите. Болометрите, за разлика от усилвателите, могат да измерват мощността или броя на фотоните, без да добавят квантов шум. Това ги прави идеални за използване в квантовите изчисления.

„Представете си бъдеще, в което квантовите компютри имат хиляди, ако не и милиони кюбити. Внимателната оценка на размера на всеки компонент е от решаващо значение за подобно мащабиране. Нашето изследване показва, че наноболометрите могат да бъдат разглеждани като сериозна алтернатива на конвенционалните усилватели“.

Казва професор Микко Мьотьонен, ръководител на изследователската група QCD.

Вече проведените експерименти показват, че болометрите могат да осигурят точното отчитане на състоянията на кубита в едно измерение. Без при това да добавят квантов шум, като същевременно консумират 10 000 пъти по-малко енергия от традиционните усилватели. Допълнително предимство е техният невероятно малък размер.

При експериментите беше постигната точност на отчитане на състоянието на един кубит от 61,8% при продължителност на отчитането от около 14 микросекунди. След коригиране на времето за релаксация на енергията на кубита точността нараства до 92,7%. Изследователите са уверени, че с малки модификации, като например замяна на материала на болометъра с графен, точността на отчитане на единичните измервания до желаните 99,9% може да бъде постигната само за 200 наносекунди.

Още през 2019 г. същият екип от учени демонстрира използването на болометри за свръхчувствителни измервания в реално време. А през 2020 г. – възможността за намаляване на времето за отчитане до по-малко от една микросекунда. Това стана с помощта на болометри на основата на графен.

Всички тези научни постижения откриват нови перспективи за мащабиране на квантовите изчисления, като обещават да направят революция в точността и ефективността на квантовите измервания.