Кремниевое устройство считывает и записывает квантовую информацию

Устройство на основе кремния, которое выполняет две функции, необходимые для исправления ошибок в квантовых компьютерах, было создано международной группой исследователей. Устройство было изготовлено с использованием традиционных процессов производства полупроводников, и теперь команда надеется расширить технологию для создания квантового компьютерного чипа на основе кремния.

Устройство может записывать квантовую информацию на индивидуальном спине, а также может считывать данные из пары спинов. Хотя оба эти действия выполнялись на основе кремниевых технологий ранее, команда говорит, что это первый раз, когда оба были выполнены одновременно на одном устройстве.

Квантовые компьютеры используют квантовые биты, или кубиты, для хранения информации. В отличие от обычного бита, который может иметь значение 0 или 1, кубит может находиться в квантовой суперпозиции 0 и 1. Одним из способов достижения этого является использование спина электрона в качестве кубита, причем спин направлен вверх соответствующий 0, например, и вращение вниз, соответствующее 1.

Спиновые кубиты уже созданы с использованием крошечных кусочков полупроводников, называемых квантовыми точками. В 2015 г. исследователи во главе с Эндрю Дзураком (Andrew Dzurak) из Университета Нового Южного Уэльса (UNSW) в Австралии соединили два таких кубита, чтобы создать управляемый вентиль NOT (CNOT), который является фундаментальным компонентом квантовых компьютеров.

Две квантовые точки были сделаны путем размещения матрицы электродов поверх куска кремния-28, который является наиболее распространенным изотопом кремния. Подавая напряжения на некоторые электроды, два электрона захватываются внутри кремния, разделяемые примерно на 100 нм. Затем исследователи показали, что они могут регулировать состояние спина одного из электронов, не нарушая его соседа, процесс, известный как адресуемость с одним спином.

Спиновые состояния устанавливаются путем генерации микроволнового импульса с использованием одного из электродов в качестве антенны - метод, известный как электронный спиновый резонанс (ЭПР). Состояния спиновых кубитов могут быть установлены индивидуально с помощью электродов, чтобы прикладывать электрическое поле к одному из спинов, которое изменяет реакцию этого спина на микроволновый сигнал.

Теперь Дзурак и его коллеги из UNSW, Технологического университета Делфта в Нидерландах, Университета Кейо в Японии и Лабораторий HRL в США добавили одноэлектронный транзисторный датчик к логическому элементу с двумя кубитами. Это позволило им сделать квантовое считывание обоих кубитов, используя принцип запрета Паули, в то же время управляя спином отдельных электронов с помощью ЭПР. Принцип запрета позволяет проводить измерения в синглет-триплетном квантовом состоянии, созданном, когда два электрона занимают двойную квантовую точку.

Хотя ни один из методов, продемонстрированных в статье, не является новым, они впервые объединены в одном устройстве. По мнению исследователей, объединение управления одним спином со считыванием, основанным на принципе запрета Паули, является ключевым требованием для кодов с квантовой коррекцией ошибок, которые будут необходимы для обеспечения точности в больших квантовых компьютерах на основе спина.

«Мы продемонстрировали способность считывания спина в нашем устройстве с кремниевым кубитом, но впервые мы также объединили его со спиновым резонансом для управления спином, - сказал Дзурак. - Это важная веха для нас на пути к выполнению квантовой коррекции ошибок с помощью спиновых кубитов, которая будет существенной для любого универсального квантового компьютера».

Ведущий исследователь Майкл Фогарти (Michael Fogarty) добавил: «Квантовое исправление ошибок является ключевым требованием при создании крупномасштабных полезных квантовых вычислений, поскольку все кубиты неустойчивы, и вам нужно исправлять ошибки по мере их возникновения».

Работа в кремнии важна, потому что недорогой материал был в центре мировой компьютерной индустрии почти 60 лет, поэтому его свойства хорошо изучены, говорят исследователи. В настоящее время команда работает с консорциумом промышленности и других университетов с целью производства к 2022 году 10-кубитового демонстрационного устройства на кремнии, которое станет предшественником создания квантового компьютера на основе кремния.

«Используя кремниевую CMOS-технологию, мы имеем идеальную платформу для масштабирования до миллионов кубитов, которые нам понадобятся, и наши последние результаты предоставляют нам инструменты для исправления ошибок спиновых кубитов в ближайшем будущем, - сказал Дзурак. - Это еще одно подтверждение того, что мы на правильном пути. И это также показывает, что архитектура, которую мы разработали в UNSW, до сих пор не обнаруживала препятствий для разработки работающего квантового компьютерного чипа».

Кремниевое устройство считывает и записывает квантовую информацию.
Слева направо - Бас Хенсен (Bas Hensen), Эндрю Дзурак, Кок Вай Чан (Kok Wai Chan) и Майкл Фогарти, которые помогли создать кремниевое устройство в UNSW