Мороз для квантового мозга ✎ экспресс

Оригинал: "The electronic interface for quantum processors"
arXiv:1811.01693 · 2018-11-05 · arXiv non-exclusive · собственный разбор · 2 мин
Квантовые компьютеры обещают невиданную скорость, но их процессорам нужна особая электроника, работающая в холоде.

📄 Показана версия «Просто» — «Популярно» пока не готова. Добавьте ★ в избранное, если хотите её ускорить.

Квантовый компьютер напоминает оркестр, где каждый музыкант играет на невидимом инструменте. Вместо скрипок и труб — кубиты, хрупкие частицы, которые легко сбить с ритма малейшим теплом или шумом. Чтобы оркестр из миллионов таких музыкантов зазвучал слаженно, дирижёр должен стоять не в тёплом зале, а прямо на морозе, рядом с ними.

Температура внутри квантового процессора часто ниже, чем в открытом космосе: около –273 °C, то есть на градус теплее абсолютного нуля.

Сегодня управляющая электроника сидит снаружи криостата — специального холодильника, где живут кубиты. Сигналы бегут по проводам, но каждый лишний сантиметр кабеля добавляет задержку и шум, как если бы дирижёр махал палочкой через длинный коридор. Для десятка кубитов это терпимо, но для тысяч — уже нет. Решение — перенести контроллеры в тот же холод, где работает процессор. Такая криогенная электроника должна быть экономной: она не имеет права греть кубиты даже на тысячную долю градуса.

Разные типы кубитов — сверхпроводящие, спиновые, на холодных атомах — диктуют свои требования. Одним нужны сверхбыстрые импульсы, другим — сверхточные постоянные напряжения. Инженеры перебирают варианты: от специальных микросхем, созданных по образу обычных транзисторов, до цифровых схем на одном кристалле, которые умещаются рядом с кубитом. Самое трудное — совместить низкое энергопотребление с высокой скоростью, ведь в глубоком холоде полупроводники ведут себя иначе, чем в комнате.

Один управляющий чип для тысячи кубитов должен потреблять меньше энергии, чем светодиод в карманном фонарике.

Если инженеры справятся, криогенная электроника станет тем самым дирижёром, который сможет управлять оркестром из миллионов кубитов. Тогда квантовые компьютеры возьмутся за задачи, неподъёмные для классических машин: от поиска новых лекарств до расшифровки сложнейших молекулярных процессов. И всё это — благодаря схемам, которые работают в холоде, где даже воздух превращается в лёд.

При температуре жидкого гелия (–269 °C) многие металлы становятся сверхпроводниками и теряют электрическое сопротивление, что помогает создавать сверхбыстрые и экономичные схемы для управления кубитами.

Учёные
Erwin SchrödingerHugh Everett IIIEmmy NoetherSatyendra Nath BoseAlbert EinsteinDavid Deutsch
Понятия
масштабируемый квантовый компьютер скейлинг квантовый процессор IBM центр обработки данных сложность вычислительная стоимость сверхпроводящий кубит порог ошибок фейнман память считывание ячейка памяти логический кубит медицина криостат трансмон криогенное микроволновое измерение суперкомпьютер интерфейс мозг-компьютер сверхпроводящая электроника