Инженеры предложили метод создания квантовых компьютеров на основе кремния

Ученые создали усовершенствованную, сверхчистую форму кремния, которая однажды может стать основой для высоконадежных "кубитов со спином кремния" в мощных квантовых компьютерах.

Биты в классических компьютерах кодируют данные либо как 1, либо как 0. Кубиты в квантовых компьютерах могут быть суперпозицией этих двух состояний, что означает, что они могут достигать квантового состояния, известного как "когерентность", и занимать как 1, так и 0 параллельно при обработке вычислений.

Эти машины потенциально могут быть мощнее, чем самые быстрые суперкомпьютеры в мире, но для достижения этой цели потребуется около миллиона кубитов, полагют ученые. Самый большой квантовый компьютер на сегодняшний день имеет примерно 1000 кубитов.

Ключевой проблемой квантовых вычислений является то, что кубиты "зашумлены", то есть они очень подвержены помехам, таким как перепады температуры, и их необходимо охлаждать почти до абсолютного нуля. В противном случае они легко теряют информацию и выходят из строя на полпути к выполнению операций. Это означает, что даже если бы у нас был квантовый компьютер с миллионами кубитов, он все равно делал бы массу ошибок.

Кубиты обычно изготавливаются из сверхпроводящих металлов, таких как тантал и ниобий, потому что 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.

Создание кубитов из полупроводниковых материалов, таких как кремний, галлий или германий, имеет преимущества перед кубитами из сверхпроводящих металлов. Время когерентности относительно велико, их производство дешево, они работают при более высоких температурах и они чрезвычайно крошечные — 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 изготовить 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 были бы менее подвержены ошибкам. 

Природный кремний обычно состоит из трех изотопов, или атомов разной массы — Si-28, Si-29 и Si-30. Он хорошо работает в обычных вычислениях благодаря своим свойствам металлоида, но при его использовании в квантовых вычислениях возникают проблемы.

В частности, Si-29, который составляет 5% природного кремния, вызывает "эффект ядерного триггера", 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.

"Мы смогли создать критический "кирпичик", необходимый для квантового компьютера на основе кремния, - говорит ведущий автор исследования Ричард Карри, профессор передовых электронных материалов Манчестерского университета. - Это важный шаг к созданию технологии, которая потенциально может изменить жизнь человечества".

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 уместить миллиарды транзисторов на крошечной печатной плате. 

Кубиты на основе кремния также могут быть изготовлены намного проще, чем другие виды кубитов, благодаря уже существующим методам изготовления чипов. И, следовательно, квантовые компьютеры, которые их используют, могут быть масштабированы намного быстрее, чем конкурирующие методы.