Первый кремниевый квантовый логический вентиль

9 ноября 2015 г., 16:05

Первое квантовое логическое устройство, сделанное из кремния, было представлено исследователями из Австралии и Японии. Их вентиль контролируемое отрицание (CNOT), который является основным компонентом квантового компьютера, был сделан с помощью обычных полупроводниковых производственных процессов. Теперь исследователи планируют наращивать технологии для создания полномасштабного квантового компьютерного чипа.

Квантовые компьютеры используют странные законы квантовой механики, чтобы выполнить некоторые расчеты намного быстрее, чем обычные компьютеры, по крайней мере, в принципе. Основная задача, стоящая перед физиками, пытающимися создать квантовые компьютеры, как сохранить хрупкие квантовые биты (кубиты) информации, которые, как правило, быстро теряют когерентность в реальных устройствах.

Один подход заключается в использовании спина электрона как кубита. Кубиты на основе спина были сделаны из так называемых полупроводниковых квантовых точек, а квантовые логические устройства – путем соединения этих кубитов вместе. К сожалению, спиновые состояния в этих устройствах стремительно теряют когерентность, взаимодействуя с ядерными спинами в сложных полупроводниковых материалах, обычно используемых для создания квантовых точек.

Декогеренция может быть значительно ослаблена, если квантовые точки изготовить из кремния, наиболее распространенный изотоп которого (кремний-28) имеет нулевой ядерный спин. Новый вентиль CNOT, который был создан Эндрю Дзюраком (Andrew Dzurak), Менно Фельдхорстом (Menno Veldhorst) и их коллегами из Университета Нового южного Уэльса и Университета Кейо, был впервые сделан путем соединения двух кремниевых спиновых кубитов.

Две квантовые точки были сделаны путем размещения массива электродов на поверхности куска кремния-28. Прикладывая напряжения к некоторым из электродов, в ловушку захватывались два электрона внутри кремния, разделенных примерно 100 нм. Спиновые состояния электронов устанавливались посредством генерации СВЧ-импульса, используя один из электродов в качестве антенны, - технологии, известной как электронный парамагнитный резонанс (ЭПР). Состояния спиновых кубитов могли устанавливаться индивидуально с помощью электродов путем приложения электрического поля к одному из спинов, которое изменяет, как этот спин реагирует на СВЧ-сигнал. Значения кубитов считываются также с помощью ЭПР.

Спины связаны с помощью обменного взаимодействия, являющимся чисто квантовомеханическим эффектом, который может быть настроен так, чтобы установить спины точки в одном или в противоположных направлениях. Эта настройка выполняется посредством регулировки напряжения на некоторых из электродов.

Команда убедилась, что впервые был создан вентиль CNOT с помощью установки спинов в определенной конфигурации, например, оба спина вниз. Затем для создания вентиля CNOT к кубитам была приложена серия микроволновых импульсов и напряжений. Когда команда считывала значения кубитов, было найдено, что они соответствовали ожидаемому выходу вентиля для операции CNOT.

Однако исследователи говорят, что они не были в состоянии показать, что два кубита были квантовомеханически сцеплены в процессе работы вентиля, что, как они считают, было результатом ошибок в процессе считывания. Зацепление требуется для функционирования квантового логического устройства, и сейчас команда работает в направлении совершенствования процесса чтения, чтобы подтвердить, что кубиты действительно зацеплены.

«Все физические строительные блоки для кремниевого квантового компьютера уже успешно построены», - сказал Фельдхорст. Дзюрак добавил, что команда «запатентовала дизайн для полномасштабного квантового компьютерного чипа, который позволит миллионам наших кубитов выполнять все типы вычислений, которые мы только что продемонстрировали экспериментально». Он говорит, что команда также ищет индустриального партнера для производства полномасштабного квантового процессора.

Первый кремниевый квантовый логический вентиль