На пороге квантового прорыва: ученые придумали, как уместить миллион кубитов на одном чипе

Ученые из швейцарских Базельского университета и Национального центра компетенции в области исследований (NCCR) SPIN смогли достичь управляемого взаимодействия спиновых кубитов на обычном кремниевом транзисторе, пишет Interesting Engineering.

Кубиты составляют фундаментальные строительные блоки квантового компьютера и отвечают за обработку, передачу и хранение данных. Чтобы квантовый компьютер работал точно, кубиты должны надежно хранить информацию и одновременно быстро ее обрабатывать. Это требует стабильного и быстрого взаимодействия между кубитами, состояниями которых можно манипулировать и контролировать вне системы. С этой целью квантовые компьютеры должны иметь возможность размещать миллионы кубитов на одном чипе, чтобы быть полезными в практических приложениях. Однако самые продвинутые квантовые компьютеры могут управлять только несколькими сотнями кубитов, вследствие чего они выполняют вычисления, которые под силу и традиционным компьютерам.

Базельский университет и команда NCCR SPIN работают над решением проблемы организации и объединения тысяч кубитов, чтобы достичь квантового превосходства. Для этого ученые обратились к кубиту, использующему в работе спин электрона, его еще называют "дырой" (спин — собственный момент импульса элементарных частиц, имеющий квантовую природу и не связанный с движением частицы как целого, — ред.).

Такая дыра по сути является недостающим электроном в полупроводнике. И дыры, и электроны обладают спином, который может принимать одно из двух состояний: вверх или вниз. В квантовых компьютерах они действуют так же, как 0 и 1 в классических двоичных системах. В отличие от спина электрона, спин дыры может полностью контролироваться электрически без дополнительных компонентов, таких как микромагниты чипа. Спины дыр позволили ученым создавать двухкубитные вентили, которые одновременно быстры и высокоточны. Этот принцип также позволил соединять большее количество пар кубитов.

Связь двух спиновых кубитов достигается за счет электростатического взаимодействия двух неразличимых частиц. Интересно, что обменная энергия дыр не только электрически управляема, но и анизотропна. Это происходит из-за так называемого "спин-орбитального взаимодействия", которое означает, что движение дыры в пространстве влияет на ее спиновое состояние.

Важно Квантовый интернет почти готов: ученые записали и считали данные благодаря фотонам

"Анизотропия делает возможным использование двухкубитных вентилей без компромисса между скоростью и точностью, — объяснили ученые. — Кубиты, основанные на спинах дырок, не только используют возможности кремниевых чипов, они также хорошо масштабируются и доказали свою скорость и надежность в экспериментах".