iqoption

Технология создания кремниевых чипов для квантовых компьютеров

Технология создания кремниевых чипов для квантовых компьютеровКубиты обладают несколькими особенностями: они могут захватывать атомы лазерными лучами и фотоны в микроволновом резонаторе, а также обладают сверхпроводящими кольцами, по которым ток может двигаться одновременно в двух направлениях. В 1998 году Дэвид Дивинцэнцо (физик-теоретик Рейнско-Вестфальского технического университета Ахена (RWTH), недавно давший интервью порталу Spectrum) и Дэниел Лосс предложили использовать спиновое состояние электронов, захваченных в квантовых точках, для хранения в квантовых битах. Тогда многие восприняли эту идею как будущее квантовых вычислений.

 

На прошлой неделе исследователи Университета Нового Южного Уэльса (UNSW), расположенного в Сиднее, рассказали журналу Nature, что подобная технология может быть интегрирована с существующей технологией КМОП-структур: с ее помощью можно создавать кремниевые чипы для квантовых компьютеров, каждый из которых сможет накапливать миллионы кубитов.

 

В современой обработке данных ключевую роль исполняет логический вентиль И-НЕ, из комбинаций которого можно построить любой бинарный логический элемент. Исследователи UNSW создали первый основной вентиль для квантовой обработки данных - контролируемое отрицание (CNOT). В зависимости от состояния управляющего кубита, вентиль CNOT меняет “спин вверх” на “спин вниз”, и наоборот. “Это самая элементарная операция, совершаемая между двумя кубитами. Мы же создали эквивалент вентилю И-НЕ, являющемуся классикой дискретной логики”,- рассказал физик UNSW в области полупроводников и глава исследовательской группы Эндрю Дзарак. В классических компьютерах все вычисления основаны на cхемах, в работе которых задействован вентиль CNOT. Дзарак уточняет, что “любое квантовое вычисление может быть произведено с помощью комбинаций одно- или двухкубитных вентилей”.

 

Разработанное в Университете Нового Южного Уэльса устройство содержит два захваченных в слое кремния электрона, расстояние между которыми составляет около 100 нанометров. Исследователи также создали отдельные кубиты, состоящие из захваченных электронов с управляемым спином. Квантовый вентиль CNOT, однако, содержит два сплетенных кубита; благодаря этому спин в одном кубите контролирует спин второго.

 

Технология создания кремниевых чипов для квантовых компьютеров

 

Чтобы воплотить двухкубитный вентиль в жизнь, исследователи усовершенствовали строение КМОП-транзисторов. Два вентиля (отмечено серым) помещены друг за другом в изоляционном слое из диоксида кремния, отделяющего их от слоя, почти полностью состоящего из изотопа кремния-28. Контроль напряжения в вентилях позволяет захватывать из-под них по одному электрону. Квантовое состояние обоих электронов может контролироваться частотой импульса, сообщаемого через линию “резонанса электронного спина” (отмечено зеленым), комбинированную с магнитным полем в 1.4 тесла. Линия резонанса электронного спина позволяет каждому электрону иметь собственный спин, благодаря чему могут совершаться “однокубитные” операции. Импульс напряжения сплетает между собой два кубита, чтобы те могли действовать подобно вентилю CNOT, а именно изменять спин в одном электроне посредством его изменения в другом.

 

Дзарак объяснил, что поддерживание двух электронов в сплетенном состоянии, иными словами, когерентными, крайне важно для того, чтобы квантовое вычисление состоялось. Это делает обязательным использование изотопически чистого кремния-28, поскольку в первозданном виде он содержит 4% изотопа кремния-29, обладающего ненулевым ядерным спином, что препятствует спину кубита и приводит к разрушению когерентности.

 

Тем не менее, кубиты не идеальны в обработке информации, ведь снижение частоты появления ошибок зависит, помимо прочих факторов, от времени, в течение которого кубиты могут поддерживать когерентность. Заявленная надежность кубитов за счет снижения частоты появления ошибок подтвердилась тестами, определенными самим исследовательским сообществом. Таким образом, надежность работы кубитов оказалась крайне высока - около 99%. Сплетенные же кубиты менее надежны, поэтому квантовые компьютеры все еще нуждаются в доработке. Однако Дзарак считает, что для проведения этой самой доработки все равно требуются кубиты с высоким показателем надежности. По данным, полученным в ходе тестов, он оценивает надежность двухкубитных вентилей примерно в 90%.

 

Дзарак также отметил, что исследователи уже представили сверхпроводящие кубиты, имеющие больший уровень надежности, назвав это “гонкой на опережение”. Конечно же, исследователи из Университета Нового Южного Уэльса имеют все шансы добиться тех же результатов своими кремниевыми кубитами. Вот его слова по этому поводу:

 

“Создание достаточно мощного квантового процессора сопряжено со многими коммерческими трудностями, поскольку для его воплощения требуются тысячи кубитов. Вот почему мы твердо уверены в превосходстве своих кремниевых КМОП-кубитов. Их преимущество в том, что они могут использоваться в устройствах, уже применяемых в промышленности”.

 

Джарак также добавил, что факт того, что кубиты других разработчиков намного меньше сверхпроводящих, также является преимуществом в случае, когда необходимо задействовать их большее число.

 

“Я действительно заинтересован в продвижении этого проекта, но это возможно только при сотрудничестве с промышленниками”,- сообщил Дзарак, добавив, что ученые из UNSW уже запатентовали полноценный квантовый чип, способный вместить в себя миллионы кремниевых кубитов.

Дивинценцо из Ахена согласен с тем, что исследование UNSW не менее важно, чем их собственное. “Оно показало нам, каких результатов можно добиться, используя кремний, чей период когерентности намного выше, чем у арсенида галлия”,- признал он. “Некоторые свойства кремния дают ему огромное превосходство над III-V полупроводниками, использовавшимися в доведении кубитов до их нынешнего состояния”.