Ученые достигли более 99% квантовой точности с помощью кремния

Новое исследование ученых Принстонского университета прокладывает путь для использования технологий на базе кремния в квантовых вычислениях и будет способствовать увеличению их использования в качестве альтернативы другим технологиям квантовых вычислений, таким как сверхпроводники и захваченные ионы.

В ходе исследования ученым удалось с помощью двухкубитного кремниевого квантового устройства добиться беспрецедентного уровня точности более 99,8%. На сегодняшний день это наивысшая точность для двухкубитного шлюза в полупроводнике. Точность, заключающаяся в способности кубита (наименьшей единицы информации в квантовом компьютере), выполнять операции без ошибок, является ключевым моментом для практических высокопроизводительных квантовых вычислений.

Исследователи по всему миру пытаются выяснить, какие технологии, сверхпроводниковые кубиты, захваченные ионы или кремниевые спиновые кубиты, больше всего подходят на роль базовых элементов квантовых вычислений. И, что немаловажно, специалисты изучают, какие технологии являются наиболее подходящими для коммерческого использования.

С помощью кремниевого устройства, так называемой двойной квантовой точки, ученые Принстонского университета смогли захватить два электрона и заставить их взаимодействовать между собой. Таким образом им удалось использовать спиновое состояние каждого электрона в качестве кубита, а взаимодействие между электронами позволило эти кубиты запутать.

Кубит – своего рода квантовый бит, являющийся наименьшей единицей данных в компьютерных технологиях. Как и бит, кубит кодируется с информацией, которая может иметь значение ноля или единицы.

Тем не менее, в отличие от бита, кубит может использовать принципы квантовой механики, что позволяет ему выполнять задачи, которые обычному биту не под силу. Например, он может обладать суперпозицией нолей и единиц, то есть, быть одновременно и нолем, и единицей. Благодаря этому квантовые компьютеры имеют огромное преимущество перед обычными.

В спиновых кубитах «спин» означает момент импульса электрона. Это квантовое свойство, проявляющееся в виде крошечного магнитного диполя, который можно использовать для кодирования информации. В качестве примера можно привести стрелку компаса, указывающую южный и северный полюс и вращающуюся в соответствии с магнитным полем Земли.

Спин – свойство электрона, используемого в квантовых устройствах на основе кремния. Для сравнения, обычные компьютеры работают путем управления отрицательным зарядом электрона.

В целом, кремниевые спиновые кубиты имеют преимущества перед другими типами кубитов.

«Идея состоит в том, что каждая система должна масштабироваться до множества кубитов. В настоящее время другие системы кубитов имеют реальные физические ограничения масштабируемости. Размер может быть реальной проблемой для этих систем. Места, куда все это можно втиснуть, не так много», – пояснил руководитель исследования Адам Миллс (Adam Mills).

Кремниевые спиновые кубиты состоят из одиночных электронов и чрезвычайно малы. Использовавшееся в ходе исследования устройство имело диаметр всего 100 нм, тогда как диаметр обычных сверхпроводниковых кубитов превышает 300 микрон, поэтому много их на чип не уместить.

Еще одно преимущество кремниевых спиновых кубитов заключается в том, что обычная электроника сегодня базируется на кремниевой технологии. По мнению авторов исследования, для создания миллиона или десяти миллионов кубитов для практического применения подойдет только твердотельная система, которую можно масштабировать, используя стандартную полупроводниковую промышленность.