Физики достигли уникального результата в сохранении точности квантовых вычислений

Два разнонаправленных спина, воспроизведенные в кремнии. Иллюстрация Physorg

За год до выведения на орбиту первого искусственного спутника Земли в Стокгольме чествовали трех американцев, один из которых потом будет награжден и второй Нобелевской премией. Так накануне старта космической эры было отмечено создание первого транзистора. Тот первый полупроводниковый транзистор был размером с ноготь мизинца и имел три «ножки», ведущие к эмиттеру‑испускателю, стоку‑коллектору и базе.

Введение в оборот транзисторов позволило заменить громоздкие электронно‑лучевые трубки, использовавшиеся в первом компьютере «Эниак», а также резко увеличить число логических элементов для совершения операций, которые реализуются посредством входов для приема сигналов и выхода результирующего сигнала.

Бурное развитие электроники привело к тому, что на площади первого транзистора сегодня умещаются миллионы сходных схем, протекание тока по которым приводит к генерации паразитического тепла. Именно поэтому все ближе физический предел теперь уже наноминиатюризации чипов и явная неудовлетворенность «трудящихся» Силиконовой долины электроном как носителем информации.

Гораздо более привлекательными выглядят перспективы использования спинов – электронного и ядерного. Последний давно уже освоен химиками в качестве ядерно‑магнитного резонанса при исследовании различных молекул, в том числе и таких сложных, как белки. Используется учеными и спин электрона в центре так называемой азотной вакансии (NV – Nitrogene Vacancy), возникающей в алмазе вследствие замещения в кристаллической решетке одного из атомов углерода на азот. С помощью лазера, импульс которого имеет электромагнитную природу, можно спин менять, тем самым записывая информацию, а затем считывать ее с помощью когерентного луча света.

Но мечтой физиков и информационщиков является, конечно же, квантовый компьютер, исчисляющий не последовательно – по мере поступления информации, – а параллельно. Наиболее перспективным направлением считается использование полупроводниковых или сверхпроводящих квантовых точек, с помощью которых создаются логические ворота (gates).

Лазерное считывание информации, записанной с помощью азотных вакансий. Иллюстрация Physorg

И вот сегодня о новом достижении австралийцев сообщил уже сам Nature, представивший описание первого в мире двухкубитового логического устройства на кремниевой подложке‑субстрате. Энтузиазм редакции журнала подкрепляется тем, что в Сиднее достигнут уникальный результат сохранения точности расчетов 98% (в среднем 94,8%).

В статье представлен скан созданной наносхемы, полученной с помощью электронного микроскопа. Любой другой явно не подходил, поскольку размеры элементов микросхемы исчисляются нанометрами. Ее составные части авторы обозначили буквенными сокращениями: D1 и D2 – полупроводниковые квантовые точки (Quantum dots), G1‑4 – ворота, RG – резервные ворота, снабжающие точки электронами, SET – одноэлектронный транзистор, служащий сенсором движения заряда в области квантовых точек…

Металлические элементы схемы выполнены из алюминия методом послойного напыления. Толщина кремниевый основы – 0,9 микрометра (900 нм). Эта основа имеет «допинг» (dopant) в виде более тяжелого изотопа кремния в концентрации 800 атомов на миллион обычных. Работает устройство в холодильнике, замораживающем электроны до температуры 100 мК.

По мнению австралийских физиков, высокая точность их схемы обусловлена относительно долгим временем пребывания ворот в когерентом состоянии в сочетании с продвинутой импульсной техникой. Один из авторов отметил, что высокая надежность позволяет контролировать точность работы миллионов будущих логических элементов, которые необходимы для квантовых компьютеров.

Так что в данном случае можно говорить лишь о первой ласточке, доказавшей первенство австралийцев в гонке квантовой эры.