Создан первый трёхмерный квантовый чип с атомарной точностью реализации

Соавторы исследования Мишель Симмонс и Йорис Кейзер.

Фото UNSW Sydney.

Австралийские инженеры впервые собрали трёхмерную микросхему из нескольких слоёв кубитов, расстояние между которыми контролируется в атомарном масштабе. Предполагается, что это важный шаг на пути к коммерческому квантовому компьютеру.

Достижение описано в научной статье, опубликованной в журнале Nature Nanotechnology группой из Университета Нового Южного Уэльса во главе с Мишель Симмонс (Michelle Simmons).

Напомним, что кубит, или квантовый бит, – это элемент памяти квантового компьютера. В отличие от классического бита, "умеющего" хранить только 0 или 1, кубит может принимать и промежуточные состояния. В перспективе это обещает огромную по сравнению с возможностями нынешних компьютеров скорость вычислений.

Однако создать элемент памяти – лишь часть дела.

"Чтобы иметь возможность постоянно исправлять ошибки в квантовых вычислениях – важный вопрос в нашей области – вы должны быть в состоянии контролировать много кубитов параллельно", – объясняет Симмонс.

Поэтому Симмонс и её коллеги ещё в 2015 году разработали и запатентовали трёхмерную архитектуру квантового чипа. В ней кремниевые кубиты располагаются в несколько слоёв, а выше и ниже этого "слоёного пирога" были помещены электроды. Напряжение, подаваемое на них, позволяет управлять кубитами.

Однако одно дело запатентовать технологическое решение и совсем другое – воплотить его в жизнь. За несколько лет исследований команда разработала необходимые одноатомные и одноэлектронные транзисторы и нанопроволоки. Все эти детали изготавливались путём внесения атомов фосфора в нужные места кремниевой заготовки. Так получался один слой кубитов. Однако до сих пор не удавалось нанести поверх него второй слой.

"В прошлом критики говорили, что это невозможно, потому что поверхность второго слоя становится очень шероховатой, и становится невозможно использовать нашу точную технику. Однако в этой статье мы показали, что мы можем сделать это вопреки ожиданиям", – говорит соавтор работы Йорис Кейзер (Joris Keizer).

Для успешного нанесении второго слоя пришлось решить сразу несколько задач. Во-первых, не повредить первый слой. В частности, необходимо было помешать фосфору проникать из одного слоя в другой посредством диффузии.

"Это очень сложный процесс, но в самых общих чертах [речь о том, что] мы построили первую плоскость, а затем оптимизировали технику для выращивания второго слоя без воздействия на структуры в первом слое", – объясняет Кейзер.

Кроме того, расстояние между слоями нужно было контролировать с нанометровой точностью.

"Мы продемонстрировали технику, которая позволяет достигать выравнивания с точностью до пяти нанометров, что довольно необычно", – констатирует Кейзер.

Помимо этого, авторы доказали, что их технология позволяет за одно измерение считывать состояние кубитного слоя с точностью 97,9%. Таким образом, отпадает нужда в усреднении результатов многочисленных измерений, что, конечно, повышает быстродействие устройства.

Несмотря на все усовершенствования, эта разработка пока не является полноценным квантовым вычислительным устройством. Авторы полагают, что до создания коммерческого квантового компьютера пройдёт ещё не менее десяти лет.

"Мы постоянно работаем над созданием крупномасштабной архитектуры, которая приведёт нас к возможной коммерциализации технологии", – отмечает Симмонс.

К слову, ранее "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) писали о сверхпроводящем кубите, созданном российскими учёными.