Новейшие исследования в области квантовых компьютеров были бы невозможны без прецизионного контрольно-измерительного ВЧ-оборудования.

Макс Вернингхаус, Институт Вальтера Мейснера

Для решения сложных задач квантовые компьютеры используют естественные свойства квантов. Подобно классическим битам, для представления и обработки логических состояний применяются квантовые биты (кубиты). Классический бит является двоичным, тогда как кубит может одновременно существовать в комбинациях из двух состояний.

Этот феномен, известный как «суперпозиция», невозможно объяснить законами классической физики. Суперпозиция является свойством квантовой механики и составляет основу для огромного вычислительного потенциала квантовых компьютеров.

Сверхпроводящие кубиты

В настоящее время исследования сконцентрированы на технической реализации кубитов. Одной из многообещающей областей являются сверхпроводящие кубиты, которые с помощью электрических цепей сохраняют электромагнитные поля с очень длительным периодом полураспада благодаря своей сверхпроводимости без потерь. Проектируется резонансная цепь для эффективного создания управляемой системы с двумя состояниями. Резонансная частота для этой цепи, как правило, находится в СВЧ-диапазоне около 5 ГГц. Базовым состоянием резонансной цепи является логический «нуль», а первым возбужденным состоянием является логическая «единица».

Систематическое управление этими двумя состояниями пока еще невозможно без дополнительных структур. В генераторах гармоник, таких как резонансные LC-цепи, всегда сохраняется одинаковое расстояние между двумя смежными энергетическими состояниями (гармоничность). Одним из побочных эффектов является неконтролируемое смещение резонансного СВЧ-сигнала в цепи из базового состояния в первое возбужденное состояние или из произвольного возбужденного состояния в следующее более высокое состояние. Нелинейные индуктивности могут нейтрализовать гармоничность. Переходы Джозефсона помогают создать два определенных энергетических состояния, которые можно использовать в качестве контролируемого кубита. Они дают переходу из базового состояния в первое возбужденное состояние характеристическую частоту, уникальную для данного перехода. Данное свойство имитирует переходы электронов атома, поэтому сверхпроводящие кубиты также известные как искусственные атомы.

Квантовое состояние очень неустойчиво. Рабочая температура сверхпроводящего кубита составляет около 10 милликельвинов или около –273 °C, что очень близко к абсолютному нулю. Это единственный способ поддержания теплового фона.

Управление состояниями квантов с помощью СВЧ-сигналов

Энергетическим состоянием кубита можно управлять с помощью внешних СВЧ-сигналов. Сфера Блоха иллюстрирует данный процесс (справа на рис.). Логические состояния «единица» и «нуль» расположены на северном и южном полюсах сферы Блоха. Все прочие точки на поверхности сферы представляют состояние суперпозиции. Текущее состояние отображается так называемым вектором состояния. Взаимодействие с резонансным СВЧ-сигналом вызывает вращение вектора состояния в сфере Блоха.

Для выполнения зависимых вычислительных операций с кубитами требуется очень точное управление этим вращением на основе длительности импульса, амплитуды СВЧ-сигнала и огибающей управляющего импульса. Так называемая относительная фаза управляющего импульса оказывает влияние на ось вращения состояния кубита в сфере Блоха. Если на кубит воздействуют импульсы с одинаковой фазой, состояние всегда вращается, например, по оси Х. В случае фазового смещения импульса на 90° вектор состояния вращается по оси Y.

Требования к источникам сигналов

Генераторы сигналов произвольной формы являются надежными и универсальными источниками сигналов. Вместе с СВЧ-источниками и смесителями они позволяют генерировать импульсы с правильной частотой кубита. Путем точного регулирования фазы управляющего импульса в режиме реального времени и точного управления огибающими можно достигать любую требуемую точку на сфере Блоха в любой момент из любой начальной точки.

В отличие от традиционных вычислительных операций с высокой погрешностью, квантовые компьютеры основаны на точной калибровке управляющих импульсов. Даже минимальные отклонения во вращении (на 1% от вращения квантового состояния) могут приводить к изменению квантовой операции. Аналогичные ошибки происходят вследствие неточного управления фазой. В связи с этим приборы для управления квантовыми компьютерами должны иметь высокую устойчивость фазы и амплитуды. Фазы управляющих импульсов регулируются с помощью синфазных и квадратурных составляющих импульса, которые хранятся в генераторе сигналов произвольной формы.

Квантовые алгоритмы и эксперименты с квантовыми компьютерами отличаются высокой степенью сложности. Для них требуется вывод большого количества импульсных сигналов в нескольких каналах с соответствующей устойчивостью фазы и синхронизацией по времени. Это зачастую ведет к длительному времени ожидания во время инициализации традиционных управляющих приборов и может в конечном итоге ограничивать сложность проводимых экспериментов. Различные производители СВЧ-генераторов уже приступили к разработке специальных приборов в сотрудничестве с учеными в области квантовых вычислений.

Эти приборы имеют намного более широкие возможности, чем традиционные генераторы сигналов произвольной формы, и удовлетворяют некоторым особым требованиям к исследованиям в данной области. Управление фазами импульсов возможно непосредственно на приборе с помощью программируемых пользователем матриц логических элементов (FPGA), что существенно сокращает требуемый объем памяти. Даже очень сложные квантовые алгоритмы с тысячами операций могут быть сокращены до контролируемого набора основных операций. Не требуется хранение непрерывного сигнала в генераторе сигналов произвольной формы для каждого квантового алгоритма. Достаточно иметь набор основных операций и информацию о последовательности вывода. Специальные генераторы сигналов произвольной формы для исследований квантовых компьютеров уже поддерживают такие функции.

Анализ сигналов для выбора квантовых состояний

Когда квантовый компьютер выполняет операцию, выбираются квантовые состояния кубитов и кубиты соединяются со считывающими резонаторами. Вследствие взаимодействия с кубитом происходит смещение резонансной частоты резонатора в зависимости от состояния кубита (см. рисунок). Путем стимулирования этого процесса без считывающего сигнала вблизи резонансной частоты можно определить состояние кубита на основе смещения амплитуды и фазы сигнала при передаче или отражении.

Новейшие достижения в квантовых технологиях делают возможной эффективную работу соответствующей управляющей электроники и квантового оборудования. Благодаря интеграции функций анализа сигналов непосредственно в приборы возможно наблюдение результатов квантовых алгоритмов в режиме реального времени. Передовые генераторы сигналов произвольной формы упрощают работу с квантовыми компьютерами таким же образом, как ассемблеры долгое время использовались в программировании компьютеров и машин. Одна из главных трудностей здесь заключается в синхронизации и координации сотен сигналов, которые требуются для работы крупных квантовых компьютеров.