150 000 кубитов, напечатанных на чипе

Новые кремниевые спиновые кубиты также излучают свет телекоммуникационного диапазона.
Квантовые компьютеры теоретически могут решать проблемы, с которыми никогда не справится ни один классический компьютер, даже учитывая миллиарды лет, но только если они обладают многими компонентами, известными как кубиты. Теперь ученые изготовили более 150 000 кубитов на основе кремния на чипе, которые они могут соединить вместе со светом, чтобы помочь сформировать мощные квантовые компьютеры, связанные квантовым Интернетом.

Классические компьютеры включают или выключают транзисторы, чтобы представить данные как единицы или нули. Напротив, квантовые компьютеры используют квантовые биты, также известные как кубиты. Из-за сюрреалистической природы квантовой физики кубиты могут существовать в состоянии, называемом суперпозицией, в котором они одновременно равны и 1, и 0. Это явление позволяет каждому кубиту выполнять два вычисления одновременно. Чем больше кубитов квантово-механически связаны или запутаны (см. наш пояснитель) внутри квантового компьютера, тем больше его вычислительная мощность может расти в геометрической прогрессии.

В настоящее время квантовые компьютеры представляют собой шумные квантовые платформы среднего масштаба (NISQ), а это означает, что число их кубитов не превышает нескольких сотен. Чтобы оказаться полезными для практических приложений, будущим квантовым компьютерам, вероятно, потребуются тысячи кубитов для компенсации ошибок .

В настоящее время разрабатывается множество различных типов кубитов, таких как сверхпроводящие схемы , электромагнитно захваченные ионы и даже замороженный неон . Недавно ученые обнаружили, что так называемые спиновые кубиты, изготовленные из кремния, могут оказаться особенно перспективными для квантовых вычислений.

«Спины кремния — одни из самых лучших природных кубитов», — говорит соавтор исследования Стефани Симмонс , квантовый инженер из Университета Саймона Фрейзера в Бернаби, Британская Колумбия, Канада.

«Спин» в спиновых кубитах — это угловой момент частицы, такой как электрон или атомное ядро. Спин может указывать вверх или вниз подобно стрелке компаса, указывающей на север или юг. Спиновый кубит может существовать в суперпозиции, когда он ориентирован одновременно в обе стороны.

Кремниевые спиновые кубиты являются одними из самых стабильных кубитов, созданных на сегодняшний день. Кроме того, эта технология теоретически может быстро масштабироваться при поддержке десятилетий работы, направленной на развитие мировой полупроводниковой промышленности.

До сих пор ученые измеряли одиночные спины только электрически в кремнии. Это, в свою очередь, означало, что единственный способ запутать спины вместе — электромагнитный, «что должно быть сделано с кубитами, находящимися очень близко друг к другу», — говорит Симмонс. «Это трудно масштабировать с инженерной точки зрения».

Теперь исследователи впервые оптически обнаружили одиночные спины в кубитах в кремнии. Такой оптический доступ к спиновым кубитам предполагает, что когда-нибудь можно будет использовать свет, чтобы «запутать кубиты друг с другом в чипе или в центре обработки данных так же легко, как если бы они находились рядом», — говорит Симмонс.

Новые спиновые кубиты основаны на центрах радиационных повреждений — дефектах внутри кремния, созданных с помощью ионной имплантации или облучения электронами высокой энергии. В частности, это Т-центры , каждый из которых состоит из двух атомов углерода, одного атома водорода и неспаренного электрона.

Каждый Т-центр имеет неспаренный электронный спин и ядерный спин водорода, каждый из которых может служить кубитом. Спин электрона может оставаться когерентным или стабильным более 2 миллисекунд; ядерный спин водорода может оставаться таким более 1,1 секунды. «Долгое время жизни наших кремниевых спиновых кубитов уже вполне конкурентоспособно, и у нас есть идеи, как продвинуть их дальше», — говорит Симмонс.

Исследователи напечатали 150 000 пятен, получивших название «микрошайбы», на стандартных фотонных пластинах кремний-на-изоляторе промышленного стандарта. Каждая микрошайба имела ширину от 0,5 до 2,2 микрометра и в среднем содержала один Т-центр, говорит ведущий автор исследования Дэниел Хиггинботтом из Университета Саймона Фрейзера. В магнитном поле состояния спиновых кубитов в каждом Т-центре имеют немного разные энергии, и каждое из них излучает свет с разной длиной волны. Это позволяет ученым оптически определять состояния каждого спинового кубита в этих Т-центрах.

Длины волн, которые излучают эти спиновые кубиты, лежат в ближнем инфракрасном диапазоне O-диапазона . Это означает, что эти спиновые кубиты могут связываться с другими кубитами, излучая свет, который часто используется в телекоммуникационных сетях, помогая кубитам работать вместе внутри квантового процессора и помогая квантовым компьютерам сотрудничать через квантовый Интернет.

Кроме того, «электронный и ядерный спиновые кубиты могут работать вместе — ядерный спин как долгоживущий кубит памяти, а электронный спин — как оптически связанный коммуникационный кубит, и информация может обмениваться между ними с помощью микроволновых полей», — говорит Симмонс. . «Ни одна другая физическая квантовая система не сочетает в себе высокопроизводительную квантовую память, прямые и прочные связи с телекоммуникационными фотонами и коммерческие перспективы кремния, который является лучшей в мире платформой как для современной микроэлектроники, так и для интегрированной фотоники».

Ученые знали о Т-центрах с 1970-х годов. «Мы не знаем, почему мы первыми начали исследовать Т-центры как кубиты в кремнии», — говорит Симмонс. «Возможно, исследователи предполагали, что спин-фотонные кубиты-кандидаты в кремнии просто менее склонны конкурировать с кандидатами в других материалах, таких как алмаз и карбид кремния. Для нас это загадка».

В целом, «мы больше всего в восторге от фундаментальной масштабируемости этих кубитов», — говорит Симмонс. «Это новый участник международной гонки квантовых компьютеров, и мы думаем, что у него очень радужные перспективы».

Хотя исследователи изготовили много кубитов в этом новом исследовании, «они еще не подключены к работающему квантовому компьютеру», предупреждает Симмонс. «Оптический доступ к этим спинам сделает эту проводку намного проще, чем многие другие подходы, но эта технология все еще очень молода, и предстоит проделать большую работу».