Физики из Австралии сделали создание кремниевых квантовых компьютеров более близким к реальности, создав специальную «одежду» для кубитов на базе кремния и фосфора, защищающую их от помех, говорится в статье, опубликованной в журнале Nature Nanotechnology.
Физики «одели» квантовый компьютер в световую «смирительную рубашку»
Guilherme Tosi & Arne Laucht/UNSW

«Главная проблема квантовых компьютеров заключается в сохранении запутанности кубитов на достаточно долгое время для того, чтобы они могли провести вычисления. В прошлом мы уже создавали самый долгоживущий твердотельный кубит, а теперь улучшили этот показатель в 10 раз. «Одетый» кубит можно контролировать множеством способов, большинство которых просто нельзя использовать для их «раздетых» кузенов», — объясняет Андреа Морелло (Andrea Morello) из университета Нового Южного Уэльса в Сиднее (Австралия).

Морелло и его коллега по университету Эндрю Дзурак уже несколько лет разрабатывают компоненты, необходимые для сборки полноценного квантового компьютера. Так, в 2010 году они создали квантовый одноэлектронный транзистор, а в 2012 году — полноценный кремниевый кубит на основе атома фосфора-31.

В 2013 году они собрали новую версию кубита, которая позволяла почти со 100% точностью считывать данные из него и оставалась стабильной очень долго. В октябре прошлого года Морелло и его команда сделали первый шаг к созданию первого кремниевого квантового компьютера, объединив два кубита в модуль, выполняющий логическую операцию ИЛИ.

Австралийским физикам удалось значительно улучшить работу подобных кубитов, «одев» их. Под «одеждой» для кубитов и прочих жителей микромира физики понимают электромагнитное поле, которое особым образом «склеивается» с ними. В роле источника этого поля, как правило, выступают частицы света, фотоны, испускаемые лазером в сторону кубита с определенной частотой.

Электрическое поле фотонов и кубит взаимодействуют таким образом, что мы, воздействуя на частицы света, можем менять и считывать свойства кубита, обращая внимание на то, как «расщепляются» уровни энергии фотонов при взаимодействии с квантовой ячейкой памяти.

Поэтому, собственно, подобная двухуровневая квантовая конструкция и называется «одеждой» — для того, чтобы «прочитать» или «записать» кубит, нам нужно взаимодействовать с его световой «оберткой», а не со спинами электрона или ядер, в которых хранится квантовая информация. Подобная одежда, как выяснили физики, защищает кубит от внешних помех и заметно продлевает ему жизнь.

Морелло и его коллеги придумали метод, который позволяет управлять работой созданного ими полупроводникового кубита на базе фосфора-31 при помощи подобной «одежды», используя импульсы микроволнового лазера.

Первые же опыты с подобными кубитами показали, что «упаковка» фосфорного кубита в световую «одежду» продлевает его жизнь в 10 раз — такие кубиты, по словам ученых, живут около 2−9 миллисекунд, чего достаточно для проведения очень серьезных вычислений. Вдобавок к этому, подобные кубиты, по словам австралийских физиков, проще объединять друг с другом и контролировать.

«К примеру, наш кубит можно контролировать, просто модулируя частоту микроволнового поля, примерно так же, как вы настраиваете FM-радио. Такое нельзя делать с «голыми» кубитами, для которых важен контроль амплитуды колебаний, подобно тому, как работает AM-радио. Эта особенность наших кубитов, в частности, объясняет то, почему они менее чувствительны к шуму — квантовая информация в них контролируется частотой колебаний, которая всегда остается четкой, тогда как амплитуда может меняться под действием внешних процессов», — заключает физик.

Так художник представил себе «одетый» кубит © Фото: Arne Laucht/UNSW