В мире квантовых технологий назревает важное событие. Корейский институт стандартов и науки (KRISS) сделал шаг, который может приблизить эру по-настоящему мощных и компактных квантовых компьютеров. Ученые нашли способ укротить одну из главных проблем — нестабильность электронов.

Чтобы понять суть открытия, нужно вспомнить, как устроены привычные нам компьютеры. Они работают с битами — единицами информации, которые могут быть либо нулем, либо единицей. В квантовом мире все иначе. Частица вроде электрона может находиться в суперпозиции: быть одновременно и нулем, и единицей. Это свойство и позволяет создавать кубиты — основу квантовых вычислений.

Особый интерес для ученых представляют кубиты на основе одиночных электронов. Их главное преимущество — миниатюрность. Теоретически на крошечной площади можно разместить десятки таких вычислительных элементов, что открывает путь к масштабированию квантовых машин.

Но есть серьезная проблема. Электрон настолько мал и чувствителен, что малейшее воздействие извне выбивает его из «колеи». Любое взаимодействие с окружением или соседними частицами мгновенно меняет его энергетическое состояние. Квантовые свойства теряются, точность вычислений падает. До сих пор это было главным препятствием для создания стабильных однокристальных кубитов.

Подробности опубликованы в издании Nano Letters.

Исследовательская группа под руководством доктора Пэ Мён Хо из KRISS подошла к решению нестандартно. Они разработали устройство, которое работает как кухонное сито, только для электронов. Внутри токопроводящего канала они разместили особый энергетический фильтр. Чтобы его создать, ученые сформировали одиночные электроны в специальной ловушке — квантовой точке. Затем они подали нужное напряжение на так называемый квантовый точечный контакт. В результате получился барьер, который пропускает только «быстрые» электроны с высокой энергией, а остальные отправляет обратно. Применив этот метод, физики смогли снизить разброс энергии частиц более чем в два раза. Электроны стали более предсказуемыми и стабильными.

Однако мало просто отсеять лишнее — нужно понять, что именно ты получил. Команда доктора Пэ пошла дальше и создала метод визуализации. Они применили распределение Вигнера — способ представить квантовое состояние электрона на графике, где одна ось отвечает за время, а другая — за энергию. Благодаря этому ученые могут в буквальном смысле увидеть форму одиночного электрона до и после прохождения через фильтр. Это позволяет замечать тончайшие квантовые эффекты, которые раньше ускользали от внимания экспериментаторов.

Наша работа, — поясняет доктор Пэ Мён Хо, — поможет сделать технологии квантовой информации на основе одиночных электронов более практичными и применимыми в реальности.

Если посмотреть на это исследование шире, его ценность выходит далеко за рамки лабораторной демонстрации.

• Для науки. Главный вклад здесь — методологический. Физики часто сталкиваются с проблемой «шума» — хаотичных флуктуаций, которые мешают увидеть чистый квантовый эффект. Работа KRISS предлагает элегантный способ не просто экранировать электрон от мира, а „просеивать“ его состояние, оставляя только пригодные для работы экземпляры. Это как если бы мы научились отбирать для бега только спортсменов с идеальным пульсом, игнорируя тех, кто запыхался. А метод визуализации Вигнера дает исследователям мощнейший инструмент диагностики. Мы перестаем гадать, что происходит с частицей, а начинаем это видеть. Это открывает дорогу к созданию новых, более сложных квантовых схем.
• Для реальной жизни. Самое очевидное применение — это квантовые компьютеры. Снижение энергетической неопределенности напрямую ведет к увеличению времени жизни кубита (времени когерентности). Чем дольше кубит живет, тем больше сложных операций можно на нем выполнить без ошибок. Если мы научимся собирать тысячи таких стабильных кубитов на одном чипе (а именно это и обещают однокристальные кубиты), мы получим компьютер, способный моделировать новые лекарства, разрабатывать материалы с невиданными свойствами или создавать идеальные катализаторы для химической промышленности.

Кроме того, управление одиночными электронами — это основа для сверхточных сенсоров. Представьте себе датчик, способный почувствовать присутствие одной-единственной молекулы или измерить мельчайшие изменения магнитного поля. Такие приборы могут совершить революцию в медицинской диагностике, позволяя выявлять болезни на самой ранней стадии по биомаркерам в капле крови.

А теперь давайте посмотрим на эту работу без розовых очков.

Исследователи демонстрируют снижение энергетической неопределенности электрона с помощью фильтра. Это впечатляет. Но мне, как практику, сразу бросается в глаза вопрос: а какова цена этого успеха? Фильтр по определению отбрасывает часть электронов. Насколько сильно падает общая эффективность генерации полезных кубитов? Если мы отсеиваем 99% частиц ради того, чтобы оставшийся 1% был идеальным, для масштабирования это катастрофа. Процессор, который работает один раз из ста попыток, непригоден для вычислений.

Далее, метод основан на квантовых точечных контактах и сложной настройке напряжения. В статье звучит красиво, но на практике воспроизвести такую систему со стопроцентной точностью в другом месте, с другим оборудованием — задача нетривиальная. Любая асимметрия контактов, примесь в подложке, паразитная емкость — и фильтр начнет вносить искажения в те самые электроны, которые мы пытаемся защитить.

Наконец, распределение Вигнера — мощный инструмент, но его трактовка требует высокой квалификации. То, что авторы назвали «формой электрона», на самом деле квазивероятностное распределение. Перевести его в цифровой сигнал и утверждать, что теперь мы видим все нюансы, — смелое заявление. Но не порождает ли само преобразование артефактов, которые мы принимаем за новую физику? Я бы хотел увидеть более строгое сравнение с теоретическими моделями, чтобы убедиться, что мы видим именно состояние электрона, а не особенности нашей измерительной установки.

Ранее российские ученые открыли новый способ передачи данных в квантовых компьютерах.