Две группы исследователей из университета Нового Южного Уэльса (University of New South Wales, UNSW), Австралия, нашли решения ряда проблем, стоящих перед создателями квантовых компьютеров на основе кремниевых чипов. Этими решениями стали новые технологии, которые, кроме всего прочего, позволили учёным установить пару новых мировых рекордов в области квантовых вычислений. Первым рекордом является способность обрабатывать квантовую информацию с достоверностью более 99%, а вторым – способность хранить квантовую информацию в квантовых битах более 30 секунд. И оба этих рекорда являются важными вехами на пути реализации сверхмощных квантовых компьютеров, которые появятся в не очень далёком будущем.
Каждая из команд добилась создания квантовых битов, кубитов, собственной конструкции, но которые при этом используют в качестве квантовой величины спин, горизонтальное или вертикальное положение плоскости вращения электрона или ядра атома. Один из кубитов, разработанный группой профессора Эндрю Дзурэка (Andrew Dzurak), являлся своего рода «искусственным атомом», созданным в канале полевого транзистора (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor, MOSFET). Кубит, созданный группой профессора Андреа Морелло (Andrea Morello), проще, и его основу составляет атом фосфора «естественного» происхождения.
Оба новых кубита могут находиться в определённых квантовых состояниях достаточно долго для того, чтобы их можно было использовать для реализации технологий квантовых вычислений, для хранения и достоверного считывания содержащейся в них информации. Квантовая информация, хранящаяся в виде спина электрона или атома, имеет скорее аналоговую природу, нежели цифровую дискретную. Спин двух кубитов, содержащих одинаковую квантовую информацию, может незначительно отличаться, но эти различия могут складываться и накапливаться в ходе выполнения миллионов операций с этими кубитами, что, в конце концов, может привести к появлению ошибок.
«Для реализации технологий достоверных квантовых вычислений мы должны научиться управлять квантовым состоянием кубитов с очень высокой точностью, что приведёт к низкому уровню совершаемых при вычислениях ошибок, – рассказывает профессор Эндрю Дзурэк. «Нам удалось придумать два параллельных пути, каждый из которых может обеспечить высокую точность манипулирования кубитами, которые можно будет использовать для создания кремниевого процессора будущего квантового компьютера», – добавил профессор Морелло.
Технологией, которая обеспечила успех обеим научным группам, стала технология получения очищенного кремния. В этом материале полностью отсутствует изотоп кремний-29, а состоит он полностью из кремния-28, ядро атома которого полностью лишено магнитного момента. Благодаря такой магнитной нейтральности, этот материал абсолютно не оказывает никакого влияния на состояние заключённых в нём квантовых битов. Использование кремния в качестве материала для создания «тюрьмы» для кубитов позволит включать эти кубиты в состав кремниевых чипов, а нейтральность кремния-28, имеющего электрические свойства обычного кремния, позволяет получить точность записи и считывания квантовой информации на уровне 99,99%.
«Атом фосфора, заключённый в кристаллическую решётку кремния, фактически содержит два кубита: электрон внешней оболочки и ядро, – рассказывает доктор Джуха Мухонен (Dr Juha Muhonen). – Используя более массивное и более стабильное ядро, мы получили точность в 99,99%. А это, в свою очередь, означает, что одна ошибка будет возникать в расчёте на 10 тысяч операций, что является приемлемой величиной для практической реализации квантовых вычислений».
«Естественный» атом фосфора, заключённый в оболочку из 28 слоёв кремния, может сохранять неизменным направление вращения своего ядра более 30 секунд, что позволяет рассматривать такие атомы в качестве весьма надёжных устройств хранения информации. «Половина минуты – это практически вечность в квантовом мире, – рассказывает профессор Морелло. – Сохранение состояния квантовой суперпозиции в течение столь длительного времени является тем, в возможность чего никто не верил до недавнего времени».
Использование кремния в качестве материала кубитов даёт надежду на то, что узлы квантовых вычислительных систем могут быть изготовлены при помощи современных технологий производства кремниевых полупроводников и интегральных схем. Это приближает момент появления квантовых компьютеров, для изготовления которых более не будут требоваться крайне редкие и дорогие материалы. Будут нужны лишь фосфор и кремний – материалы, которые широко распространены в природе.
В ближайшем будущем обе группы учёных собираются совместными усилиями приступить к созданию запутанных пар кубитов различных типов, обладающих высокой точностью и большим временем хранения информации. Такая технология, в свою очередь, позволит уже создавать процессоры квантовых компьютеров, насчитывающие миллионы кубитов, которые смогут выполнять самые сложные задачи за чрезвычайно короткие промежутки времени.
Комментарии