Инженеры Университета Нового Южного Уэльса (UNSW) добились значительного прорыва в области квантовых вычислений, создав так называемые «квантово запутанные состояния». В этих состояниях две отдельные частицы становятся настолько тесно связаны, что больше не ведут себя независимо. Для этого ученые использовали спины ядер двух атомов, что является ключевым ресурсом, обеспечивающим преимущество квантовых компьютеров над традиционными.

Исследование, опубликованное 18 сентября в журнале Science, стало важным шагом на пути к созданию масштабируемых квантовых компьютеров — одной из самых амбициозных научных и технологических задач XXI века. Это достижение открывает возможность разрабатывать будущие микросхемы для квантовых вычислений с использованием уже существующих технологий и производственных процессов. Как отмечает ведущий автор работы, команде удалось заставить самые чистые и изолированные квантовые объекты взаимодействовать друг с другом на том же масштабе, на котором сегодня производятся стандартные кремниевые электронные устройства.

Баланс между изоляцией и взаимодействием

Перед инженерами квантовых компьютеров стоит задача найти баланс между защитой вычислительных элементов от внешних помех и шумов и необходимостью их взаимодействия для выполнения вычислений. Именно поэтому существует множество различных аппаратных платформ, претендующих на звание первого работающего квантового компьютера: одни обеспечивают быстрые операции, но подвержены шуму, другие — хорошо защищены, но их сложно масштабировать. Команда UNSW выбрала платформу, которая ранее относилась ко второй категории, используя ядерные спины атомов фосфора, внедренных в кремниевую пластину, для кодирования квантовой информации.

Профессор Андреа Морелло из Школы электротехники и телекоммуникаций UNSW отмечает: «Спин атомного ядра — это самый чистый и изолированный квантовый объект, который можно найти в твердом теле». За последние 15 лет группа совершила все ключевые прорывы, сделавшие эту технологию реальным претендентом в гонке квантовых вычислений. Уже было показано, что квантовую информацию можно хранить более 30 секунд — что является вечностью в квантовом мире — и выполнять логические операции с ошибкой менее 1%. Однако высокая степень изоляции, делающая атомные ядра столь чистыми, затрудняет их объединение в масштабируемый квантовый процессор.

Новый подход к масштабированию

До недавнего времени единственным способом управлять несколькими атомными ядрами было их размещение очень близко друг к другу внутри твердого тела и окружение одним и тем же электроном. Хотя электрон способен «растекаться» в пространстве и взаимодействовать с несколькими ядрами, этот диапазон ограничен. Кроме того, увеличение числа ядер, связанных с одним электроном, усложняет индивидуальное управление каждым ядром.

Исследователь объясняет это метафорой: «Раньше ядра были как люди в звукоизолированной комнате — они могли общаться друг с другом, но не слышали ничего снаружи, и в комнате помещалось ограниченное количество людей. Такой способ общения не масштабируется». Благодаря новому прорыву теперь у «людей» появились телефоны для связи с другими комнатами, а роль этих «телефонов» выполняют электроны.

На субатомном уровне два электрона могут «касаться» друг друга на значительном расстоянии благодаря своей способности растекаться в пространстве. Если каждый электрон напрямую связан с атомным ядром, ядра могут взаимодействовать друг с другом через это электронное взаимодействие.

Масштабы эксперимента и перспективы

В эксперименте расстояние между ядрами составляло около 20 нанометров — это примерно одна тысячная ширины человеческого волоса. Если представить, что каждое ядро увеличено до размера человека, то расстояние между ними было бы сопоставимо с расстоянием между Сиднеем и Бостоном. Такой масштаб соответствует размерам современных кремниевых микросхем, используемых в персональных компьютерах и мобильных телефонах. Как отмечают исследователи, миллиарды кремниевых транзисторов в ваших устройствах имеют размер около 20 нанометров. Это и есть настоящий технологический прорыв: удалось заставить самые чистые и изолированные квантовые объекты взаимодействовать на том же масштабе, что и существующие электронные устройства. Это означает, что производственные процессы, разработанные для полупроводниковой индустрии, можно адаптировать для создания квантовых компьютеров на основе спинов атомных ядер.

Технологическая совместимость и будущее

Несмотря на экзотический характер экспериментов, исследователи подчеркивают, что эти устройства совместимы с современными технологиями производства компьютерных чипов. Атомы фосфора были внедрены в чип с помощью сверхчистого кремния, предоставленного университетом Кейо в Японии, а сам чип был изготовлен командой из Университета Мельбурна.

Устранив необходимость связывать атомные ядра с одним электроном, команда UNSW преодолела главное препятствие для масштабирования кремниевых квантовых компьютеров на основе атомных ядер. По словам профессора Морелло, их метод исключительно надежен и масштабируем. В текущем эксперименте использовались всего два электрона, но в будущем можно добавить больше электронов и заставить их принимать вытянутую форму, чтобы еще больше увеличить расстояние между ядрами. Электроны легко перемещать и «массировать» в нужную форму, что позволяет быстро и точно включать и выключать взаимодействия — именно то, что необходимо для масштабируемого квантового компьютера.