Сила Si-28: как самый чистый кремний в мире преобразует квантовые компьютеры?

Международная группа исследователей разработала инновационный метод получения сверхчистого кремния-28, лишенного примесей. Это открытие может стать основой для создания высокоэффективных «кремниевых спиновых кубитов» в мощных квантовых компьютерах.

В отличие от классических компьютеров, где биты кодируют данные как 1 или 0, кубиты способны находиться в суперпозиции этих двух состояний. Это явление обычно называют когерентностью. В результате квантовые машины потенциально могут быть намного мощнее самых быстрых современных суперкомпьютеров, но для достижения такой производительности требуется около миллиона кубитов. На данный момент крупнейший квантовый компьютер имеет порядка 1000 таких электронов.

Одной из ключевых проблем здесь является квантовый шум — кубиты крайне чувствительны к внешним воздействиям вроде изменения температуры. Для стабильной работы их необходимо охлаждать почти до абсолютного нуля, иначе информация легко теряется, и операции прерываются «на полпути». Это означает, что даже если квантовый компьютер располагает миллионами кубитов, многие из них окажутся избыточными и система будет крайне нееффективной.

Обычно кубиты изготавливаются из сверхпроводящих металлов, таких как тантал и ниобий, обладающих почти бесконечной проводимостью и сопротивлением. Однако в новом исследовании, опубликованном 7 мая в журнале Nature Communications Materials , ученые предложили использовать новую сверхчистую форму кремния — полупроводникового материала, применяемого в обычных компьютерах, — в качестве основы для гораздо более масштабируемых кубитов по сравнению с существующими технологиями.

Конечно, кубиты из полупроводниковых материалов, наподобие простого кремния, галлия или германия, обладают относительно длительными состояниями когерентности, дешевы в производстве, работают при более высоких температурах и чрезвычайно миниатюрны, что позволяет разместить огромное количество на одном чипе. Но есть нюанс - примеси в полупроводниковых материалах вызывают декогеренцию во время вычислений, делая их ненадежными.

Ученые предложили изготавливать кубиты из кремния-28 (Si-28), который они описывают как «самый чистый кремний в мире» после удаления примесей, содержащихся в природном материале. Такие кубиты будут менее подвержены сбоям и могут быть изготовлены размером с булавочную головку.

«По сути, нам удалось создать ключевой «кирпичик», необходимый для построения квантового компьютера на основе кремния, — объясняет ведущий автор исследования Ричард Карри, профессор перспективных электронных материалов Университета Манчестера. — Это решающий шаг к реализации технологии, которая значительно преобразует жизнь человечества в будущем».