На порозі квантового прориву: вчені придумали, як умістити мільйон кубітів на одному чипі

Нова технологія, за словами дослідників, зробить можливим створення практичних квантових комп'ютерів без компромісу між швидкістю і точністю.

Вчені зі швейцарських Базельського університету та Національного центру компетенції в галузі досліджень (NCCR) SPIN змогли досягти керованої взаємодії спінових кубітів на звичайному кремнієвому транзисторі, пише Interesting Engineering.

Кубіти складають фундаментальні будівельні блоки квантового комп'ютера і відповідають за обробку, передачу та зберігання даних. Щоб квантовий комп'ютер працював точно, кубіти мають надійно зберігати інформацію і водночас швидко її обробляти. Це вимагає стабільної і швидкої взаємодії між кубітами, станами яких можна маніпулювати і контролювати поза системою. З цією метою квантові комп'ютери повинні мати можливість розміщувати мільйони кубітів на одному чіпі, щоб бути корисними в практичних додатках. Однак найпросунутіші квантові комп'ютери можуть керувати лише кількома сотнями кубітів, внаслідок чого вони виконують обчислення, які під силу і традиційним комп'ютерам.

Базельський університет і команда NCCR SPIN працюють над вирішенням проблеми організації та об'єднання тисяч кубітів, щоб досягти квантової переваги. Для цього вчені звернулися до кубіта, що використовує в роботі спін електрона, його ще називають "дірою" (спін — власний момент імпульсу елементарних частинок, що має квантову природу і не пов'язаний з рухом частинки як цілого, — ред.).

Така діра, по суті, є відсутнім електроном у напівпровіднику. І дірки, і електрони мають спін, який може набувати одного з двох станів: догори або донизу. У квантових комп'ютерах вони діють так само, як 0 і 1 у класичних двійкових системах. На відміну від спіна електрона, спін дірки може повністю контролюватися електрично без додаткових компонентів, як-от мікромагніти чипа. Спіни дірок дали змогу вченим створювати двокубітні вентилі, які одночасно швидкі та високоточні. Цей принцип також дозволив з'єднувати більшу кількість пар кубітів.

Зв'язок двох спінових кубітів досягається за рахунок електростатичної взаємодії двох невиразних частинок. Цікаво, що обмінна енергія дірок не тільки електрично керована, а й анізотропна. Це відбувається через так звану "спін-орбітальну взаємодію", яка означає, що рух діри в просторі впливає на її спіновий стан.

"Анізотропія уможливлює використання двокубітних вентилів без компромісу між швидкістю і точністю, — пояснили вчені. — Кубіти, засновані на спінах дірок, не тільки використовують можливості кремнієвих чипів, вони також добре масштабуються і довели свою швидкість і надійність в експериментах".