Надзвичайно чистий кремнієвий чіп викликає революцію квантових обчислень

Дослідники з університетів Мельбурна та Манчестера винайшли революційну технологію виробництва високоочищеного кремнію, яка значно наближає потужні квантові комп’ютери. Дослідники кажуть, що нова техніка створення надчистого кремнію робить його ідеальним матеріалом для створення квантових комп’ютерів у масштабі та з високою точністю.

Посилення квантової когерентності

Співкерівник проекту, професор Девід Джеймісон з Університету Мельбурна, сказав, що інновація, опублікована сьогодні (7 травня 2024 р.) у Communication Mater ials, журнал Nature, використовує кубіти атомів фосфору, імплантовані в кристали чистого стабільного кремнію, і може подолати критичний бар’єр для квантових обчислень через збільшення тривалості сумнозвісно крихкої квантової когерентності .

«Крихка квантова когерентність означає, що обчислювальні помилки швидко накопичуються. Завдяки надійній когерентності, що забезпечується нашою новою технікою, квантові комп’ютери можуть вирішити за години чи хвилини деякі проблеми, на які звичайним або «класичним» комп’ютерам – навіть суперкомп’ютерам – знадобляться століття», – сказав професор Джеймісон.

Квантові біти або кубіти – будівельні блоки квантових комп’ютерів – чутливі до незначних змін у своєму середовищі, включаючи коливання температури. Навіть при роботі в спокійних холодильниках поблизу абсолютного нуля (мінус 273 градуси за Цельсієм ) сучасні квантові комп’ютери можуть підтримувати безпомилкову когерентність лише на крихітну частку секунди.

Співкерівник Університету Манчестера, професор Річард Каррі, сказав, що ультрачистий кремній дозволяє створювати високопродуктивні кубітні пристрої – критично важливий компонент, необхідний для прокладання шляху до масштабованих квантових комп’ютерів.

«Нам вдалося створити критичну «цеглинку», необхідну для побудови кремнієвого квантового комп’ютера. Це важливий крок до створення технології, яка має потенціал трансформації для людства», — сказав професор Каррі.

Роль кремнію в квантових технологіях

Провідний автор Раві Ачарія, спільний науковий співробітник Університету Манчестера та Університету Куксона Мельбурна, сказав, що велика перевага квантових обчислень на кремнієвих чіпах полягає в тому, що вони використовують ті самі основні методи, які створюють чіпи, які використовуються в сучасних комп’ютерах.

«Електронні чіпи, які зараз є в повсякденному комп’ютері, складаються з мільярдів транзисторів — їх також можна використовувати для створення кубітів для квантових пристроїв на основі кремнію. Здатність створювати високоякісні кремнієві кубіти на сьогодні частково обмежувалася чистотою вихідного кремнієвого матеріалу. Революційна чистота, яку ми демонструємо тут, вирішує цю проблему».

Професор Джеймісон сказав, що нові високоочищені кремнієві комп’ютерні чіпи вміщують і захищають кубіти, щоб вони могли підтримувати квантову когерентність набагато довше, що дозволяє виконувати складні обчислення зі значно меншою потребою у виправленні помилок.

«Наша техніка відкриває шлях до надійних квантових комп’ютерів, які обіцяють поступові зміни в усьому суспільстві, зокрема у сфері штучного інтелекту, безпечних даних і зв’язку, розробки вакцин і ліків, використання енергії, логістики та виробництва», — сказав він.

Кремній, виготовлений із пляжного піску, є ключовим матеріалом для сучасної індустрії інформаційних технологій, оскільки він є поширеним і універсальним напівпровідником : він може діяти як провідник або ізолятор електричного струму, залежно від того, які інші хімічні елементи до нього додано.

Очищення кремнію для квантових обчислень

«Проблема полягає в тому, що в той час, як кремній, що зустрічається в природі, переважно є бажаним ізотопом кремнію-28, кремній-29 також містить приблизно 4,5 відсотка. «Кремній-29 має додатковий нейтрон у ядрі кожного атома, який діє як крихітний шахрайський магніт, руйнуючи квантову когерентність і створюючи обчислювальні помилки», — сказав він.

Дослідники направили сфокусований високошвидкісний промінь чистого кремнію-28 на кремнієвий чіп, щоб кремній-28 поступово замінив атоми кремнію-29 у чіпі, зменшивши вміст кремнію-29 з 4,5 відсотка до двох частин на мільйон (0,0002 відсотка). ).

«Чудова новина полягає в тому, щоб очистити кремній до такого рівня, тепер ми можемо використовувати стандартну машину – іонний імплантатор – який можна знайти в будь-якій лабораторії виготовлення напівпровідників, налаштований на конкретну конфігурацію, яку ми розробили», – сказав професор Джеймісон.