Это будет как высадка на Луну! Квантовые чипы с миллиардами кубитов не за горами

Австралийские инженеры открыли новый способ точного управления одиночными электронами, расположенными в квантовых точках, которые обеспечивают работу логических ворот.

Более того, новый механизм менее громоздкий и требует меньшего количества деталей, что может оказаться важным для создания мощных кремниевых квантовых компьютеров.

Об открытии, которое совершили инженеры из компании Diraq, занимающейся квантовыми вычислениями, и UNSW Sydney, подробно рассказано в журнале Nature Nanotechnology.

Это был совершенно новый эффект, которого мы никогда раньше не видели, и который мы сначала не совсем поняли, — говорит ведущий автор исследования д-р Уилл Гилберт, инженер квантовых процессоров в Diraq, компании UNSW, расположенной в Сиднее.

Но вскоре стало ясно, что это новый мощный способ управления спинами в квантовой точке. И это было очень интересно.

Логические ворота являются основным строительным блоком всех вычислений; они позволяют «битам» — или двоичным цифрам (0 и 1) — взаимодействовать для обработки информации. Однако квантовый бит (или кубит) существует в обоих этих состояниях — состояние, известное как „суперпозиция“. Это позволяет использовать множество стратегий вычислений — некоторые экспоненциально быстрее, некоторые работают одновременно — которые не под силу классическим компьютерам. Сами кубиты состоят из „квантовых точек“, крошечных нанометровых устройств, которые могут удерживать один или несколько электронов. Для проведения вычислений необходим точный контроль над электронами.

Использование электрических, а не магнитных полей

Экспериментируя с различными геометрическими комбинациями устройств размером в миллиардные доли метра, которые управляют квантовыми точками, а также с различными типами миниатюрных магнитов и антенн, которые обеспечивают их работу, доктор Туомо Тантту столкнулся со странным эффектом.

Я пытался очень аккуратно управлять двухкбитными воротами, перебирая множество различных устройств с разными геометриями, из разных материалов и с разными методами управления, — вспоминает доктор Тантту, инженер по измерениям в Diraq.

Затем появился этот странный всплеск. Это выглядело так, будто скорость вращения одного из кубитов ускоряется, чего я никогда не видел за четыре года проведения экспериментов.

Позднее инженеры осознали, что ученый открыл новый способ управления квантовым состоянием одного кубита с помощью электрических, а не магнитных полей, которые использовались ранее. С момента открытия в 2020 году инженеры совершенствовали этот метод, который в итоге стал еще одним инструментом в арсенале для реализации амбиций Diraq по внедрению миллиардов кубитов на одном чипе.

Это новый способ управления кубитами, и он менее трудоемкий — вам не нужно устанавливать кобальтовые микромагниты или антенны прямо рядом с кубитами, чтобы создать эффект управления, — говорит Гилберт.

Это снимает необходимость размещения дополнительных структур вокруг каждых ворот. Таким образом, меньше беспорядка.

Для квантовой обработки информации в кремнии важно управлять отдельными электронами, не мешая другим, находящимся рядом. Существует два известных метода: электронный спиновый резонанс (ЭСР) с использованием микроволновой антенны на кристалле; и электрический дипольный спиновый резонанс (ЭДСР), который основан на индуцированном градиентном магнитном поле. Недавно открытая техника известна как внутренний спин-орбитальный ЭСР.

Обычно мы проектируем наши микроволновые антенны для создания исключительно магнитных полей, — сказал д-р Тантту.

Но эта конкретная конструкция антенны создавала больше электрического поля, чем мы хотели — и это оказалось как нельзя кстати, потому что так мы обнаружили новый эффект, который можно использовать для манипулирования кубитами.

Открытие приближает разработку кремниевых квантовых компьютеров

Это жемчужина нового механизма, которая лишь пополняет копилку запатентованных технологий, которые мы разработали за последние 20 лет исследований», — сообщил профессор Эндрю Дзурак, генеральный директор и основатель компании Diraq, профессор квантовой инженерии в UNSW, который возглавлял команду, создавшую первый квантовый логический гейт в кремнии в 2015 году.

«Новая разработка основана на нашей работе по превращению квантовых устройств в кремнии в реальность на основе, по сути, на той же технологии полупроводниковых компонентов, что и существующие компьютерные чипы, вместо использования экзотических материалов», — добавил он. „Поскольку он основан на той же технологии CMOS, что и в современной компьютерной индустрии, наш подход позволит легче и быстрее расширить масштабы коммерческого производства и достичь нашей цели — изготовить миллиарды кубитов на одном чипе“.

КМОП (или комплементарный металл-оксид-полупроводник, на латинице произносится как «си-мос») — это процесс производства, лежащий в основе современных компьютеров. Он используется для изготовления всевозможных компонентов интегральных схем, включая микропроцессоры, микроконтроллеры, микросхемы памяти и другие цифровые логические схемы, а также аналоговые схемы, такие как датчики изображения и преобразователи данных.

Создание квантового компьютера называют «космической гонкой 21 века» — сложной и амбициозной задачей, способной обеспечить революционные инструменты для выполнения невероятных вычислений, таких как разработка сложных лекарств и современных материалов или быстрый поиск в массивных, неотсортированных базах данных.

Мы часто думаем о высадке на Луну как о величайшем технологическом чуде для всего человечества, — заключил Дзурак.

Но правда в том, что сегодняшние КМОП-чипы — с миллиардами операционных устройств, интегрированных вместе, чтобы работать как симфония, и которые вы носите в кармане — это поразительное техническое достижение, которое произвело революцию в современной жизни. Квантовые вычисления будут столь же феноменальны.

12.01.2023