В гонке за создание квантовых вычислительных устройств кремний начинает сиять

(Новости Нанверка) в исследовании, опубликованном в журнале научный прогресс (Двухкубитный кремниевый квантовый процессор с точностью работы более 99%.), физики из Принстона использовали двухкубитное кремниевое квантовое устройство для достижения беспрецедентного уровня точности.

Более 99 процентов — это самая высокая точность, когда-либо достигнутая для полупроводниковых бинарных вентилей кубитов, и она находится на одном уровне с лучшими результатами, достигнутыми конкурирующими технологиями. Верность, мера способности кубита выполнять безошибочные операции, является ключевой характеристикой в ​​стремлении разработать практичные и эффективные квантовые вычисления.

Исследователи всего мира пытаются выяснить, какие технологии — например, сверхпроводящие кубиты, захваченные ионы или спиновые кремниевые кубиты — лучше всего использовать в качестве базовых элементов квантовых вычислений. Не менее важно, что исследователи изучают технологии, которые могут быть более эффективно масштабированы для коммерческого использования.

Кремниевые спиновые кубиты набирают обороты [in the field]сказал Адам Миллс, аспирант физического факультета Принстонского университета и ведущий автор недавно опубликованного исследования. «Это похоже на большой год для кремния в целом».

Используя кремниевое устройство, называемое двойной квантовой точкой, исследователи из Принстона смогли захватить два электрона и заставить их взаимодействовать. Спиновое состояние каждого электрона можно использовать как кубит, а взаимодействие между электронами может связывать эти кубиты. Этот процесс необходим для квантовых вычислений, и исследовательская группа под руководством Джейсона Петты, профессора физики Юджина Хиггинса в Принстонском университете, смогла выполнить этот запутанный процесс с уровнем точности более 99,8%. Устройство на основе кремния находится в стадии разработки для использования в квантовых компьютерах. Электроды затвора, показанные синим, красным и зеленым цветом, используются для определения потенциалов квантовых точек, а микромагнит наверху обеспечивает градиент магнитного поля. Изображение было получено с помощью сканирующего электронного микроскопа, и для ясности были применены цвета. (Фото: Адам Миллс, Принстонский университет)

Проще говоря, кубит — это квантовая версия компьютерного бита, который является наименьшей единицей данных в компьютере. Как и его классический аналог, кубиты закодированы информацией, которая может иметь значение либо единицы, либо нуля. Но в отличие от кубита, кубит может использовать концепции квантовой механики, чтобы выполнять задачи, недоступные обычным кубитам.

«В кубитах вы можете кодировать единицы и нули, но вы также можете иметь суперпозицию этих нулей и единиц», — сказал Миллс. Это означает, что каждый кубит может быть одновременно и нулем, и единицей. Эта концепция, называемая суперпозицией, является фундаментальной характеристикой квантовой механики и позволяет кубитам выполнять, казалось бы, другие удивительные и универсальные операции. На практике это позволяет квантовому компьютеру иметь большее преимущество перед обычными компьютерами, например, при анализе очень больших чисел или выделении оптимального решения задачи.

«Спин» в спиновом кубите — это угловой момент электрона. Это квантовое свойство, проявляющееся в виде небольшого магнитного диполя, которое можно использовать для кодирования информации. Классический аналог — стрелка компаса, имеющая северный и южный полюса и вращающаяся в соответствии с магнитным полем Земли. С точки зрения квантовой механики спин электрона может быть выровнен с магнитным полем, созданным в лаборатории (спин вверх), направлен антипараллельно полю (спин вниз) или находиться в квантовой суперпозиции спина вверх и вниз. Спин — это свойство электрона, используемого в квантовых устройствах на основе кремния; Напротив, обычные компьютеры работают, управляя отрицательным зарядом электрона.

В целом Миллс подчеркивал, что кремниевые спиновые кубиты имеют преимущества перед другими типами кубитов. «Идея состоит в том, что каждая система должна масштабироваться до множества кубитов», — сказал он. «И теперь, другие системы кубитов имеют реальные физические ограничения на масштабируемость. Размер может быть реальной проблемой для этих систем. У них не так много места, чтобы вы могли втиснуть эти вещи».

Для сравнения, спиновые кубиты кремния состоят из отдельных электронов и очень малы.

«Наши устройства имеют ширину всего около 100 нанометров, в то время как традиционные сверхпроводящие кубиты имеют ширину 300 микрон, поэтому, если вы хотите много чего сделать на чипе, вам будет сложно использовать сверхпроводящий подход», — сказал Бета.

Еще одно преимущество кремниевых вращающихся кубитов, добавил Бета, заключается в том, что современная обычная электроника опирается на кремниевую технологию. «Мы считаем, что если вы действительно хотите сгенерировать миллион или десять миллионов кубитов, которые потребуются для чего-то практического, это произойдет только в твердотельной системе, которую можно масштабировать, используя стандартное для отрасли производство полупроводников».

Однако работа со спиновыми кубитами, как и с другими типами кубитов, с высокой точностью оказалась сложной задачей для исследователей.

«Один из недостатков технологии спиновых кубитов заключается в том, что точность двухкубитного вентиля до недавнего времени была не такой высокой, — сказал Бета. «В большинстве испытаний он был значительно ниже 90 процентов».

Но это была задача, которую, по мнению Петы, Миллса и исследовательской группы, можно было решить.

Чтобы провести эксперимент, исследователям сначала нужно было захватить один электрон — непростая задача.

«Мы захватываем один электрон, очень маленькую частицу, и нам нужно переместить ее в определенную область пространства, а затем заставить танцевать», — сказал Бета.

Для этого Миллсу, Пете и их коллегам нужно было построить «клетку». Он имел форму тонкого полупроводника на основе кремния. Кроме того, команда разработала крошечные электроды, которые создают электростатический потенциал, используемый для захвата электрона. Вместе две такие клетки, разделенные барьером или воротами, образуют двойную квантовую точку.

«У нас есть два курса в соседних местах рядом друг с другом», — сказала Пета. Регулируя напряжение на этих затворах, мы можем временно сталкивать электроны вместе и заставлять их взаимодействовать. Это называется двухкубитным вентилем.

Взаимодействие заставляет каждый сигмоидальный кубит развиваться в соответствии с состоянием соседних спиновых кубитов, что приводит к запутанности в квантовых системах. Исследователи смогли выполнить это взаимодействие двух кубитов с точностью более 99%. На сегодняшний день это самая высокая точность 2-кубитного вентиля, когда-либо достигнутая в спиновых кубитах.

По словам Беты, результаты этого испытания поставили технологию вращения кремниевых кубитов в один ряд с лучшими результатами, достигнутыми другими основными конкурирующими технологиями. «Эта технология находится на сильном подъеме, — сказал он, — и я думаю, что это только вопрос времени, когда она догонит сверхпроводящие системы».

Бета добавил: «Еще один важный аспект этой статьи заключается в том, что это не просто демонстрация 2-кубитного вентиля с высоким разрешением, это устройство делает все это. Это первая демонстрация полупроводниковой системы вращающихся кубитов, в которой мы интегрирована производительность всей системы — настройка состояния, чтение, управление одним кубитом, управление двумя кубитами — все с показателями производительности, которые превышают порог, необходимый для того, чтобы заставить систему работать в большем масштабе».