Классические компьютеры могут временно хранить информацию, необходимую для выполнения определённых задач, в краткосрочной памяти, известной как RAM (оперативная память). Этот компонент позволяет компьютерным процессорам получать информацию из выбранного места без поиска всех хранящихся данных. Однако большинство современных квантовых компьютеров на основе сверхпроводников не имеют отдельного компонента, похожего на ОЗУ. Это связано с тем, что хотя процессоры и компоненты памяти в классических компьютерах разделены, большинство сверхпроводящих квантовых компьютеров используют одно и то же оборудование для хранения и обработки информации.
Исследователи из Стэнфордского университета, Чикагского университета, Национальной лаборатории ускорителей SLAC и других учреждений разработали новое устройство, которое может служить квантовой памятью с произвольным доступом. Их устройство, представленное в статье, опубликованной в журнале Nature Physics, может проложить путь для квантовых компьютеров с отдельными компонентами памяти и меньшим числом сигналоносных соединений.
Чтобы обеспечить квантовые компьютеры на основе сверхпроводников компактной памятью, Шустер и его коллеги давно пытаются разработать микроволновые полости, поддерживающие сразу несколько режимов. В этом контексте режимы — это отдельные паттерны, при которых микроволновая энергия может колебаться внутри резонанса, и каждый режим может служить отдельным местом хранения данных. «Представь себе металлическую коробку, в которой одновременно может звучать несколько отдельных нот — каждая способна вместить информацию на кубит и удерживать её долго», — объяснил Дэвид И. Шустер, старший автор статьи. -Очевидная идея — использовать каждую ноту для представления отдельного кубита памяти. Препятствием всегда был контроль: чтобы записать в них, нужно подключить их к сверхпроводящему кубиту, называемому трансмоном, а трансмон создаёт взаимодействия между объектами, которые он соединяет. Именно это делает его хорошим в вычислениях, и именно это нарушает хрупкие состояния, которые вы пытаетесь сохранить.»
Чтобы решить эту давнюю проблему, исследователи предложили ввести буфер между квантовым процессором и памятью вместо прямого соединения. Разработанное ими устройство включает четыре ключевых компонента: трансмон, многомодовую алюминиевую полость, буферную полость и регулируемый соединитель для передачи квантовых состояний между буфером и выбранной ячейкой памяти.
Определяющей особенностью конструкции команды является буфер, который размещается между трансмоном и полостью. Этот буфер отделяет сильно взаимодействующий трансмон от слоя резонансного хранилища, помогая памяти сохранять свою когерентность.
Это исследование показывает, что реализация квантового эквивалента оперативной памяти действительно возможна. Устройство, разработанное исследователями, позволило будущим квантовым компьютерам хранить больше информации без необходимости отдельного набора управляющих проводов для каждой ячейки памяти.
«У нашего устройства семь ячеек памяти, любую из которых можно вызвать по требованию через один трансмон», — объясняют исследоватеди — «Отдельные замены работают примерно с точностью около 99,3%, а полный цикл чтения-эксплуатации-записи стоит примерно 1,2% ошибки на используемой ячейке. Это достаточно хорошо, чтобы если бы память была единственным источником ошибок, существующие методы коррекции ошибок могли бы с ней справляться
В будущем команда сможет дополнительно усовершенствовать устройство и объединить его с квантовой коррекцией ошибок для защиты сохранённой информации. В конечном итоге их работа может способствовать разработке новых квантовых компьютеров, которые смогут более надёжно хранить информацию.