Разработана технология создания квантового процессора на основе кремния

Ведущий автор работы Менно Велдхорст (слева) и руководитель проекта Эндрю Дзурак в лаборатории Университета Нового Южного Уэльса

(фото University of New South Wales).

Двухкубитовый логический элемент устройства в представлении художника. Каждый кубит (красный и синий) имеет свой спин или магнитное поле, обозначенное стрелками.

(иллюстрация Tony Melov/UNSW).

Австралийские исследователи впервые изготовили один из ключевых элементов квантового компьютера из кремния. Они также показали, что два кремниевых транзистора, действующие в роли квантовых битов (или кубитов), могут выполнять сверхбыстрые расчёты.

Напомним, что кубиты, в отличие от классических битов, могут принимать не только значения 1 или 0, но и все промежуточные одновременно (в силу своей квантовой природы). В результате пять запутанных кубитов могут хранить и обрабатывать столько же информации, что и 32 (2 в пятой степени) классических бита, 10 запутанных кубитов = 1000 классических бита, а 300 кубитов могут быть соотнесены с таким количество битов, сколько атомов во всей Вселенной. Соответственно, и производительность квантовых компьютеров на основе кубитов значительно выше, чем у классических компьютеров на кремниевых схемах.

Ранее кубиты реализовывали в довольно дорогих и экзотических материалах (например, на основе сверхпроводников, как это сделали российские учёные) и в небольшом количестве. Кроме того, всю систему надо было охлаждать до температур близких к абсолютному нулю.

Кремний же является дешёвым, распространённым материалом, который сегодня повсеместно используется в электронной промышленности. Производство кремниевых схем поставлено на поток, а значит, достижение австралийцев делает мечту о повсеместном использовании квантовых компьютеров ближе к реальности.

Команда, возглавленная Эндрю Дзураком (Andrew Dzurak) из Университета Нового Южного Уэльса в Сиднее, создала так называемый CNOT логический вентиль на основе кремниевых транзисторов. Он может стать частью квантового чипа, который будет производить вычисления.

В новом устройстве кремниевые кубиты изолированы друг от друга для сохранения стабильности состояния. Каждый представляет собой стандартный транзистор, правда, способный хранить только один электрон. Спин электрона кодирует 1 или 0, а внешнее микроволновое поле и ток контролируют кубиты и заставляют их взаимодействовать нужным образом.

Пока на руках у исследователей пара таких кубитов, но можно масштабировать это решение и создать последовательность из множества кубитов, что позволит производить всё более и более сложные расчёты. Команда Дзурака уже запатентовала дизайн чипа, содержащего миллионы таких кубитов. Впрочем, до того как полноценное решение будет создано пройдёт не менее 10-20 лет.

"Мы продемонстрировали двухкубитную логическую схему – центральный строительный блок квантового компьютера, и, что важно, выполнили его из кремния. Мы используем, по сути, ту же технологию, что и при создании существующих компьютерных чипов, так что изготовить полномасштабный процессор на основе этой методики будет гораздо проще, нежели с помощью каких бы то ни было экзотических технологий, – комментирует Дзурак. – Таким образом, создание квантового компьютера становится более осуществимым, ведь оно основано на той же технологии производства, что и вся современная компьютерная индустрия".

Полномасштабный квантовый процессор, как считается, найдёт применение в самых различных областях – от финансов, страхования и здравоохранения до автоматизированного проектирования фармацевтических соединений и быстрого поиска информации в больших объёмах данных.

Проблема данной разработки в том, что она, как и предшественники, может функционировать лишь при очень низких температурах – около 1 Кельвина (минус 272 градуса по Цельсию). Впрочем, авторы работы отмечают, что современные технологии и в этой сфере не стоят на месте, и холодильники последнего поколения вполне в состоянии поддерживать такие температуры.

Подробности работы австралийских учёных были опубликованы изданием Nature.