«Самый чистый кремний» может привести к созданию первых квантовых вычислительных чипов

Ученые создали улучшенную, сверхчистую форму кремния, которая однажды может стать основой для высоконадежных «кремниевых спиновых кубитов» в мощных квантовых компьютерах. В то время как биты в классических компьютерах кодируют данные как 1 или 0, кубиты в квантовых компьютерах могут представлять собой суперпозицию этих двух состояний — то есть они могут достигать квантового состояния, известного как «когерентность», и одновременно занимать 1 и 0 при обработке вычислений.

По словам ученых, эти машины потенциально могут быть более мощными, чем самые быстрые в мире суперкомпьютеры, но для этого потребуется около миллиона кубитов. Самый большой квантовый компьютер сегодня имеет около 1000 кубитов.

Но ключевая проблема с квантовыми вычислениями заключается в том, что кубиты «шумные», то есть они очень подвержены помехам, таким как изменения температуры, и их необходимо охлаждать почти до абсолютного нуля. В противном случае они легко потеряют информацию и потерпят неудачу на полпути операции. Это означает, что даже если бы у нас был квантовый компьютер с миллионами кубитов, многие из них были бы избыточными даже с технологиями исправления ошибок, что делало бы машину крайне неэффективной.

Использование кремниевых квантовых вычислений

Кубиты обычно изготавливаются из сверхпроводящих металлов, таких как тантал и ниобий, поскольку они обладают почти бесконечной проводимостью и почти бесконечным сопротивлением.

Но в новом исследовании, опубликованном 7 мая в журнале Nature Communications Materials, исследователи предложили использовать новую, чистую форму кремния — полупроводниковый материал, используемый в обычных компьютерах — в качестве основы для кубита, который гораздо более масштабируем, чем существующие технологии. По данным компании QuEra, занимающейся квантовыми вычислениями, создание кубитов из полупроводниковых материалов, таких как кремний, галлий или германий, имеет преимущества перед кубитами из сверхпроводящих металлов.

Время когерентности относительно велико, их дешево производить, они работают при более высоких температурах и чрезвычайно малы — это означает, что один чип может содержать огромное количество кубитов. Но примеси в полупроводниковых материалах вызывают декогеренцию во время вычислений, что делает их ненадежными.

В новом исследовании ученые предложили сделать кубит из кремния-28 (Si-28), который они описали как «самый чистый кремний в мире», после удаления примесей, обнаруженных в природном кремнии. По их словам, эти кубиты на основе кремния будут менее подвержены сбоям и могут быть изготовлены размером с булавочную головку.

Природный кремний обычно состоит из трех изотопов или атомов разной массы — Si-28, Si-29 и Si-30. Природный кремний хорошо работает в обычных вычислениях благодаря своим металлоидным свойствам, но при его использовании в квантовых вычислениях возникают проблемы. В частности, Si-29, составляющий 5% природного кремния, вызывает «эффект ядерного переворота», который приводит к декогеренции и потере информации. В ходе исследования ученые обошли эту проблему, разработав новый метод создания кремния без атомов Si-29 и Si-30.

Более дешевые и масштабируемые квантовые вычисления

«То, что нам удалось сделать, — это эффективно создать критически важный «кирпичик», необходимый для создания квантового компьютера на основе кремния», — заявил в своем заявлении ведущий автор исследования Ричард Карри, профессор современных электронных материалов в Манчестерском университете. «Это решающий шаг на пути к тому, чтобы сделать возможной технологию, способную изменить человечество».

По словам ученых, компоненты для квантовых компьютеров на основе кремния теоретически могут быть созданы с использованием тех же методов, которые используются для производства классических электронных чипов, которые могут разместить миллиарды транзисторов на крошечной плате. Кремниевые кубиты, или кремниевые спиновые кубиты, не являются чем-то новым, но качество кремния никогда не было таким чистым, добавили они, что определяется на основе микроскопических испытаний.

Кубиты на основе кремния также можно производить гораздо проще, чем другие виды кубитов, благодаря существующим методам изготовления чипов. И, следовательно, квантовые компьютеры, которые их используют, могут быть масштабированы до области миллионов кубитов гораздо быстрее, чем конкурирующие методы, говорят исследователи.

«Теперь, когда мы можем производить чрезвычайно чистый кремний-28, нашим следующим шагом будет демонстрация того, что мы можем поддерживать квантовую когерентность для многих кубитов одновременно», — заявил соруководитель проекта Дэвид Джеймисон, профессор физики Мельбурнского университета. заявление. «Надежный квантовый компьютер всего с 30 кубитами превзойдет мощность современных суперкомпьютеров для некоторых приложений».