Две группы исследователей из университета Нового Южного Уэльса (University of New South Wales, UNSW), Австралия, нашли решения некоторых из проблем, стоящих в большом количестве перед создателями квантовых компьютеров на основе кремниевых чипов. Этими решениями стали новые технологии, которые, кроме всего прочего, позволили ученым установить пару новых мировых рекордов в области квантовых вычислений. Первым рекордом является способность обрабатывать квантовую информацию с достоверностью более 99 процентов, а вторым рекордом являетсяспособность хранить квантовую информацию в квантовых битах более 30 секунд времени. И оба этих рекорда являются огромными вехами на пути реализации сверхмощных квантовых компьютеров, которые появятся в очень или не очень далеком будущем.
Каждая из команд добилась создания квантовых битов, кубитов, собственной конструкции, но которые в качестве квантовой величины используют спин, горизонтальное или вертикальное положение плоскости вращения электрона или ядра атома. Один из кубитов, разработанный группой профессора Эндрю Дзурэка (Andrew Dzurak), являлся своего рода "искусственным атомом", созданным в канале полевого транзистора (Metal oxide semiconductor field effect transistor, MOSFET). Кубит, созданный группой профессора Андреа Морелло (Andrea Morello), был более прост и его основу составляет атом фосфора "естественного" происхождения.
Оба новых кубита могут находиться в определенных квантовых состояниях достаточно долго для того, чтобы их можно было использовать для реализации технологий квантовых вычислений, для хранения и достоверного считывания содержащейся в них информации. Тут следует сделать некоторое отступление, квантовая информация, хранящаяся в виде спина электрона или атома, имеет больше аналоговую природу, нежели цифровую дискретную природу. Спин двух кубитов, содержащих одинаковую квантовую информацию, может незначительно отличаться, но эти различия могут складываться и накапливаться в ходе выполнения миллионов операций с этими кубитами, что, в конце концов, может привести к появлению ошибок.
"Для реализации технологий достоверных квантовых вычислений мы должны научиться управлять квантовым состоянием кубитов с очень высокой точностью, что приведет к очень низкому уровню совершаемых при вычислениях ошибок" - рассказывает профессор Эндрю Дзурэк. "И нам удалось придумать два параллельных пути, каждый из которых может обеспечить высокую точность манипулирования кубитами, которые можно будет использовать для создания кремниевого процессора будущего квантового компьютера" - добавил к вышесказанному профессор Морелло.
Технологией, которая обеспечила успех обоих научных групп, стала технологий получения очищенного кремния. В этом материале полностью отсутствует изотоп кремний-29, он полностью состоит из кремния-28, ядро атома которого полностью лишено магнитного момента и благодаря такой магнитной нейтральности этот материал абсолютно не оказывает влияния на состояние квантовых битов, которые заключены в нем. Использование кремния в качестве материала для создания "тюрьмы" для кубитов позволит включать эти кубиты в состав кремниевых чипов, а нейтральность кремния-28, имеющего электрические свойства обычного кремния, позволяет получить точность записи и считывания квантовой информации на уровне 99.99 процента.
"Атом фосфора, заключенный в кристаллическую решетку кремния, фактически содержит два кубита, электрон внешней оболочки и ядро" - рассказывает доктор Джуха Мухонен (Dr Juha Muhonen), - "Используя более массивное и более стабильное ядро, мы получили точность в 99.99 процента. А это, в свою очередь, означает, что одна ошибка будет возникать в расчете на 10 тысяч операций, что является приемлемой величиной для практической реализации квантовых вычислений".
Кроме всего вышесказанного, "естественный" атом фосфора, заключенный в оболочку из 28 слоев кремния, может сохранять неизменным направление вращения своего ядра более 30 секунд времени, что уже позволяет рассматривать такие атомы в качестве весьма надежных устройств хранения информации. "Половина минуты - это практически вечность в квантовом мире" - рассказывает профессор Морелло, - "И сохранение состояния квантовой суперпозиции в течение столь длительного времени является тем, в возможность чего никто не верил до последнего времени".
Использование кремния в качестве материала кубитов дает надежду на то, что узлы квантовых вычислительных систем могут быть изготовлены при помощи современных технологий производства кремниевых полупроводников и интегральных схем, подвергшихся небольшой модернизации. И это может сделать еще ближе момент появления квантовых компьютеров, для изготовления которых более не будут требовать крайне редкие и дорогие материалы, а будут нужны фосфор и кремний, материалы, которые достаточно широко распространены в окружающей нас Вселенной.
В ближайшем будущем обе группы ученых собираются совместными усилиями приступить к созданию запутанных пар кубитов различных типов, обладающих высокой точностью и большим временем хранения информации. А такая технология, в свою очередь, позволит уже создавать процессоры квантовых компьютеров, насчитывающие миллионы кубитов, которые смогут выполнять самые сложные задачи за чрезвычайно короткие промежутки времени.
