Инженеры нашли неожиданный и почти парадоксальный способ улучшить квантовые компьютеры. Они слегка «испортили» материал, в который обычно стараются не вмешиваться — и это помогло данным быстрее передаваться внутри системы. Устройства становятся эффективнее, надежнее и их проще масштабировать.

Недавно команда из Национальных лабораторий Сандии, Университета Арканзаса и Дартмутского колледжа опубликовала статью в журнале Advanced Electronic Materials. Выяснилось: если добавить в специальный полупроводник две примеси — олово и кремний — электрический ток начинает течь заметно лучше. Такой полупроводник называют квантовой ямой. Проще говоря, это ультратонкий слой материала, который заставляет электроны двигаться только в одном направлении, как желоб для шарика. Раньше квантовые ямы уже применяли для ускорения телекоммуникаций, а теперь ученые проверяют, помогут ли они и в квантовых вычислениях.

До этого исследования почти все специалисты строили квантовые ямы на чистом германии. Считалось, что любые добавки только навредят — как камешки на дорожке для шарика. Но реальность удивила: ток не замедлился, а наоборот, стал более подвижным. Ученые измерили рост так называемой подвижности носителей заряда. Это ключевой показатель эффективности.

Профессор Шуй-Цин «Фишер» Юй из Университета Арканзаса, один из руководителей работы, признался:

Мы думали, будет хуже, ведь мы все перемешали. А подвижность оказалась выше.

Почему так вышло? Скорее всего, дело в особом порядке атомов внутри сплава. Даже в крошечном объеме — всего несколько нанометров — находятся сотни тысяч или миллионы атомов. Они могут выстраиваться не хаотично, а с коротким порядком. Это как если бы в толпе люди начали группироваться парами — хаос остается, но появляется полезная структура. Именно этот эффект, по мнению авторов, помогает току течь легче.

Крис Аллеманг из Сандии, первый автор статьи, говорит:

Неожиданно высокая подвижность намекает на эффекты короткого порядка в системе кремний-германий-олово. Это особенно ценно, потому что у такого сплава хорошие оптические свойства и его можно встраивать прямо в обычные кремниевые чипы, которые используются везде. Короткий порядок дает дополнительную ручку настройки — помимо состава и механического напряжения.

Что это значит с практической стороны

Стоимость технологии пока не назвать низкой. Выращивать сверхчистые квантовые ямы с точно подобранными примесями дорого. Но сам по себе подход не требует экзотического оборудования — те же методы применяют в производстве обычных микросхем, только с более строгим контролем. Для исследовательских лабораторий такая установка обходится в сотни тысяч долларов, а для массового выпуска — речь о миллионах. Однако со временем, если эффект подтвердится, производство может стать дешевле за счет отказа от чистого германия (который тоже недешев).

Насколько это ново

До этой работы главным способом улучшить квантовую яму был подбор идеального чистого барьера. Считалось, что примеси — зло. Главный прорыв будет, если ученые докажут, что победу приносит именно короткий атомный порядок. Пока это гипотеза.

Когда каждый сможет это «пощупать»

До бытового применения далеко. Сначала нужно подтвердить механизм короткого порядка, потом создать стабильный промышленный процесс, потом внедрить его в серийные чипы. Оптимистичный срок — 5–7 лет. Первыми увидят эффект те, кто покупает новые смартфоны или пользуется облачными квантовыми вычислениями (например, через IBM или Google).

Сравнение с аналогами

Сейчас для управления током в квантовых устройствах используют:

• Чистый германий — дорого, дает предсказуемые свойства.
• Традиционные полупроводники типа арсенида галлия — быстрее, но несовместимы с кремниевой промышленностью.
• Графен — очень быстрый, но его сложно делать в больших объемах.

Новый сплав кремний-германий-олово с добавками оказывается где-то посередине: дешевле чистого германия, совместим с обычными заводами по производству микросхем (технология КМОП), а подвижность тока — почти как у арсенида галлия, но без токсичности.

Ограничение работы

Ученые измерили рост подвижности и связали его с коротким порядком атомов. Но прямых доказательств — например, снимков расположения атомов или четкой модели — пока нет. Это корреляция, а не причинно-следственная связь. Не исключено, что реальная причина в другом: например, примеси случайно скомпенсировали дефекты кристаллической решетки. Пока это не технологический рецепт, а научная загадка. Если следующие эксперименты не подтвердят гипотезу, работа останется красивым наблюдением без практического выхода.

Профессор Лю из Дартмута добавляет:

Это открывает новую степень свободы для инженерных решений.

А Фишер Юй подводит итог:

Даже на нанометровом масштабе остается много места для игры свойствами материалов.

Ранее стало известно, что квантовые датчики обеспечат технологическую революцию.