В США создали сверхточный компьютер на основе кремния

Фото: phys.org

Физики из Принстонского университета проложили путь к использованию кремниевых технологий в квантовых вычислениях. В частности, в виде квантовых битов - основных единиц квантовых компьютеров. Об этом говорится на сайте Рhys.org.

Отмечается, что с помощью исследования будут ускорено использование кремниевой технологии в качестве жизнеспособной альтернативы другим технологиям квантовых вычислений, таким как сверхпроводники или захваченные ионы.

Ученые использовали двухкубитное кремниевое квантовое устройство для достижения беспрецедентного уровня точности - выше 99%.

Подчеркивается, что это самая высокая точность, достигнутая на сегодняшний день для двухкубитного вентиля в полупроводнике, которая находится на одном уровне с лучшими результатами, достигнутыми конкурирующими технологиями. 

"Кремниевые спиновые кубиты набирают обороты. Это похоже на большой год для кремния в целом", - заявил аспирант физического факультета Принстонского университета и ведущий автор исследования Адам Миллс.

С помощью кремниевого устройства ученые захватили два электрона и заставили их взаимодействовать.

"Спиновое состояние каждого электрона можно использовать как кубит, а взаимодействие между электронами может запутать эти кубиты. Эта операция имеет решающее значение для квантовых вычислений, и исследовательская группа под руководством Джейсона Петты, профессора физики Юджина Хиггинса в Принстоне, смогла выполнить эту операцию запутывания с уровнем точности, превышающим 99,8%". - сказано в статье.

Как известно, кубит - это квантовая версия компьютерного бита, который является наименьшей единицей данных в компьютере. Он закодирован информацией, которая может принимать значение либо единицы, либо нуля. Но, в отличие от бита, кубит может использовать концепции квантовой механики, чтобы выполнять задачи, недоступные классическим битам.

"В кубите вы можете кодировать нули и единицы, но вы также можете иметь суперпозицию этих нулей и единиц. Это означает, что каждый кубит может быть одновременно нулем и единицей. Эта концепция, называемая суперпозицией, является фундаментальным свойством квантовой механики и позволяет кубитам выполнять операции, которые кажутся удивительными и потусторонними. С практической точки зрения, это дает квантовому компьютеру большее преимущество перед обычными компьютерами, например, в факторизации очень больших чисел или выборе наиболее оптимального решения проблемы", - добавил Миллс.

Также отмечается, что "спин" в спиновых кубитах - это угловой момент электрона и квантовое свойство, проявляющееся в виде крошечного магнитного диполя, который можно использовать для кодирования информации. Его сравнивают со стрелкой компаса, которая имеет северный и южный полюса и вращается в соответствии с магнитным полем Земли.

"С точки зрения квантовой механики, спин электрона может ориентироваться на магнитное поле, созданное в лаборатории (спин вверх), или быть ориентированным антипараллельно полю (спин вниз), или находиться в квантовой суперпозиции спина вверх и спина. Спин - это свойство электрона, используемого в квантовых устройствах на основе кремния; обычные компьютеры, напротив, работают, управляя отрицательным зарядом электрона", - говорит ученый.

По его словам, в целом кремниевые спиновые кубиты имеют преимущества перед другими типами кубитов.

"Идея состоит в том, что каждая система должна масштабироваться до множества кубитов. И прямо сейчас другие системы кубитов имеют реальные физические ограничения для масштабируемости. Размер может быть реальной проблемой для этих систем. Там не так много места, куда вы можете втиснуть эти вещи", - пояснил Миллс.

Он подчеркнул, что кремниевые спиновые кубиты состоят из отдельных электронов и чрезвычайно малых размеров.

"Наши устройства имеют диаметр всего около 100 нанометров, в то время как обычный сверхпроводящий кубит имеет размер около 300 микрон, поэтому, если вы хотите сделать много на чипе, вам будет сложно использовать сверхпроводящий подход", - добавили исследователи.

Для проведения эксперимента они должны были сначала захватить один электрон.

"Мы ловим один электрон, очень маленькую частицу, и нам нужно доставить ее в определенную область пространства, а затем заставить танцевать", - отметили эксперты.

Наверху ученые разместили маленькие электроды, создающие электростатический потенциал для удержания электрона. Две такие клетки, соединенные вместе и разделенные барьером или воротами, образовали двойную квантовую точку.

"У нас есть две спины, расположенные на соседних сайтах рядом друг с другом. Регулируя напряжение на этих затворах, мы можем на мгновение столкнуть электроны вместе и заставить их взаимодействовать. Это называется двухкубитным затвором. Взаимодействие заставляет каждый спиновый кубит развиваться в соответствии с состоянием соседних с ним спиновых кубитов, что приводит к запутанности в квантовых системах. Мы смогли выполнить это взаимодействие двух кубитов с точностью, превышающей 99 процентов. На сегодняшний день это самая высокая точность для двухкубитного вентиля, которая до сих пор была достигнута в спиновых кубитах", - говорит Миллс.

Это первая демонстрация полупроводниковой системы спиновых кубитов.

Ирина Скиба / Skibair
Журналист ARDinform