Создан основной элемент для квантового компьютера

Ученые из Университета Констанца, Принстонского университета и Университета Мэриленда разрабатывают стабильные квантовые вентили для двухкубитовых систем из кремния. Квантовый вентиль способен выполнять все необходимые основные операции квантового компьютера. Спин отдельных электронов в кремнии используется в качестве основной единицы хранения.

Пройдет довольно много лет, пока первые квантовые компьютеры будут доступны в универмагах. Даже сегодня, однако, стало очевидно, что квантовый компьютер станет большим скачком в компьютерных технологиях. Однако квантовый компьютер реагирует гораздо более чутко на внешние возмущения, чем обычный. Следовательно, главной целью является создание стабильных «квантовых вентилей» - основного «строительного блока» квантового компьютера. Ученым из Университета Констанца, Принстонского университета и Университета Мэриленда удалось создать стабильные квантовые вентили для двухкубитовых систем. Их квантовые вентили используют отдельные электроны в кремнии для хранения информации, и они могут точно контролировать и считывать взаимодействие двух кубитов. Таким образом, эксперимент включает в себя все необходимые основные операции квантового компьютера.

Исследователи из Констанца, Принстона и Мэриленда используют в качестве основы квантовых битов электронный спин отдельного электрона в кремнии. Направление спина электрона соответствует значению 0 и 1 цифрового бита, но в квантовом состоянии электрон способен хранить больше информации, чем просто 0 и 1.

Поэтому первым достижением исследователей было извлечение одного электрона из миллиардов атомов кремния. «Это было выдающееся достижение наших коллег из Принстона», - говорит проф. Гвидо Буркард (Guido Burkard), который координировал теоретические исследования в Констанце. Исследователи использовали сочетание электромагнитного притяжения и отталкивания для отделения одного электрона от электронного сгустка. Затем отделенные электроны выстраивались точно в линию, и каждая из них помещалась в своего рода «пустоту», где они удерживались в плавающем состоянии.

Следующей задачей было разработать систему управления спином отдельных электронов. Физики из Констанца Гвидо Буркард и Максимилиан Русс (Maximilian Russ) разработали следующий метод: к каждому электрону прикладывается наноэлектрод. Используя градиент магнитного поля, физики могут создавать зависящее от позиции наноэлектрода магнитное поле, с которым могут взаимодействовать отдельные электроны, что позволяет исследователям управлять спином электронов. Таким образом они создали стабильные однокубитовые системы для хранения и считывания информации в виде электронных спинов.

Однако одного кубита недостаточно для создания базовой системы коммутации в квантовом компьютере. Для этого требуются два кубита. Ключевым шагом, предпринятым исследователями Констанца для создания двухкубитовой системы, было объединение состояний двух электронов. Такая связь позволяет строить базовые системы коммутации, с помощью которых могут выполняться все основные операции квантового компьютера..

Это означало, что исследователи из Констанца должны были создать стабильную систему для связи спинов двух отдельных электронов. «Это была самая важная и трудная часть нашей работы», - говорит Гвидо Буркард, который разработал и спланировал этот метод вместе с Максимилианом Руссом. Они разработали систему коммутации, которая координирует спины двух электронов в зависимости друг от друга. Дополнительный наноэлектрод помещается между двумя «пустотами», в которых плавают электроны кремния. Этот электрод управляет связью между двумя электронными спинами. С помощью этого метода физики реализовали стабильный и функциональный базовый процессорный блок квантового компьютера. Точность воспроизведения для одиночных кубитов выше 99 % и около 80 % для двух взаимодействующих кубитов - значительно более стабильные и более точные, чем в предыдущих попытках.

Основным материалом квантового вентиля является кремний. «Очень магнитно-тихий материал с небольшим количеством собственных ядерных спинов», - такими словами обобщил преимущества кремния Гвидо Буркард. Важно, чтобы в атомных ядрах выбранного материала не было слишком много спинов, которые могли бы помешать кубитам. Кремний обладает чрезвычайно низкой спиновой активностью своих атомных ядер и поэтому является особенно подходящим материалом. Еще одно преимущество: кремний является стандартным материалом полупроводниковой технологии и, соответственно, хорошо исследован. Поэтому ученые могут извлечь выгоду из многолетнего опыта работы с материалом.

Квантовые вентили двух кремниевых электронов. Два наноэлектрода (VL и VR) управляют спином обоих электронов. Третий наноэлектрод (ВМ) координирует взаимодействие обоих электронов

Ready, set, buy! Посібник для початківців - як придбати Copilot для Microsoft 365