Два новых рекорда обеспечат будущее квантовых вычислений
В университете Нового Южного Уэльса две команды физиков, работавшие параллельно, совершили прорывы, которые приблизят тот день, когда супермощные квантовые компьютеры будут использоваться повсеместно.
В одном исследовании учёные решили проблему точности обработки квантовых данных — теперь она составляет выше 99%. В другом эксперименте им удалось обеспечить чипы способностью хранить последовательную квантовую информацию в течение более тридцати секунд.
Каждая команда физиков создала по два типа квантовых битов (кубитов) — вертикально или горизонтально поляризованных электронов, которые представляли значения "0" и "1" в двоичном коде исчисления. Один кубит, разработанный командой профессора Эндрю Джурака (Andrew Dzurak), был создан при помощи полевого транзистора МОП-структуры из "искусственного" атома. Другая группа учёных под руководством Андреа Морелло (Andrea Morello) использовала "природный" атом фосфора для получения электрона-кубита.
В обоих случаях кубиты должны были сохранить своё хрупкое квантовое состояние достаточно долго, чтобы информация, которую они несут, по-прежнему сохранялась бы в виде квантовой памяти. Более того, поскольку количество вычислений на практике будет на порядки больше, чем в лабораторном эксперименте, их точность также должна быть предельно высокой, отмечают исследователи в статье журнала Nature Nanotechnology.
"Для полноценной работы квантовых компьютеров вычисления должны быть практически безошибочными. Сегодня мы уже имеем два способа, над которыми так усердно работали, для построения квантового компьютера в кремнии. Каждый из них демонстрирует предельную точность", — говорит Морелло.
Основываясь на исследованиях, проведённых в течение последних трёх лет, учёные показали, что кремний по-прежнему может быть использован для создания кубитов. Так, один атом фосфора внутри кремниевой решётки может сыграть роль тюрьмы для электрона, так же, как это делают, к примеру, алмазы. Однако информация, хранящаяся спином электрона-кубита (поляризация, она же значение "0" или "1"), исчезает очень быстро, поскольку квантовое состояние не может поддерживаться в течение длительного времени.
Чтобы преодолеть эту проблему, учёные создали кубит из электрона, пойманного в ловушку из электродов внутри тонкой плёнки из очищенного кремния, которая содержала единственную примесь в виде изотопа кремния-28. Поскольку изотоп полностью лишён магнетизма, то квантовое состояние кубита (поляризация электрона) остаётся нетронутым и сохраняется дольше. Однако он по-прежнему обладает всеми электрическими свойствами "обычного" кремния, что означает, что он может быть частью привычного электронного устройства. В результате испытания системы точность вычислительных операций составила 99,99%.
"Один атом фосфора, на самом деле, содержит два кубита: электрон и ядро. Используя в виде квантового бита ядро, мы добились точности близкой к 99,99%, но не достигающей этой рекордной отметки. Это означает, что только одна ошибка приходится на каждые 10 тысяч квантовых операций", — рассказывает Морелло.
Точно так же "природный" атом фосфора произвёл кубит, который смог удержать спин в стабильном состоянии в слое кремния-28. В этом случае ядерный спин этого атома поддерживался в одном и том же состоянии в течение более 30 секунд. Это означает, что когерентность (согласованность, связанность) его информации оставалась стабильной в течение всего этого времени.
"Период когерентности является показателем того, как долго вы можете сохранить ту или иную квантовую информацию, прежде чем она будет утрачена. Полминуты — это целая вечность в квантовом мире. Прежде никто не мог поверить, что сохранение квантовой суперпозиции в течение столь долгого времени внутри своеобразного модифицированного транзистора вообще возможно", — поясняет Морелло в пресс-релизе.
Использование кремниевых чипов в такого рода демонстрациях означает, что квантовые вычисления могут быть проделаны при помощи обычной современной технологии интегральных схем. Это также означает, что мощнейшие из возможных компьютеров могут быть изготовлены из одного из самых распространённых элементов во Вселенной, что не может не радовать.
