От песка к квантовым технологиям: прорыв в создании мощных квантовых компьютеров на основе кремния

Ученые совершили значительный прорыв в области квантовых вычислений, адаптировав широко используемый промышленный метод для создания крупных массивов отдельных атомов на кремниевых пластинах. Это достижение открывает новые горизонты для разработки мощных квантовых компьютеров.

Сегодня компьютеры стали неотъемлемой частью нашей жизни. Они используются в автомобилях, бытовой технике, медицинском оборудовании и многих других устройствах. Благодаря их вычислительной мощности мы решаем сложные задачи, такие как управление энергосистемами, проектирование авиационной техники, прогнозирование климатических изменений и развитие искусственного интеллекта (ИИ).

Однако все современные компьютеры работают на основе классических принципов, обрабатывая данные в виде битов — нулей и единиц. Эти методы остаются неизменными с древних времен, когда появились первые счетные устройства, такие как абак.

Почему квантовые вычисления — это будущее?

Стремительное развитие технологий ставит перед человечеством задачи, которые не под силу даже самым мощным суперкомпьютерам. Для их решения необходимы квантовые компьютеры, использующие принципы квантовой механики. Такие устройства способны революционизировать множество областей, включая разработку лекарств, обработку больших данных, обеспечение кибербезопасности, а также развитие машинного обучения и ИИ.

Основой квантовых вычислений являются кубиты — квантовые биты, которые могут находиться в состоянии суперпозиции, то есть одновременно быть и нулем, и единицей. Это свойство позволяет квантовым компьютерам выполнять вычисления, недоступные для классических систем. Например, задачи, на решение которых у суперкомпьютеров ушли бы столетия, квантовые компьютеры могут выполнить за считанные часы.

Однако для решения реальных задач, имеющих значение для общества, требуется создание мощных квантовых процессоров, сопоставимых по сложности и масштабу с современными классическими чипами. Это означает необходимость разработки архитектуры, способной поддерживать огромное количество кубитов, организованных в упорядоченные массивы.

Кремний как основа квантовых технологий

Кремний, получаемый из песка, уже давно является основным материалом для производства полупроводниковых устройств благодаря своей доступности и универсальности. Ученые активно исследуют возможности использования кремния для создания квантовых устройств, дополняя его атомами-допантами — примесями, которые изменяют свойства материала.

Ранее было доказано, что такие устройства могут быть запрограммированы для формирования кубитов. Однако главной проблемой оставалась высокая чувствительность кубитов к внешним воздействиям, что приводило к потере информации (декогеренции) и необходимости перезапуска вычислений.

Новое исследование демонстрирует, как можно создавать крупные массивы атомов-допантов на кремниевых пластинах, что открывает путь к разработке стабильных и надежных квантовых компьютеров. Уникальные свойства кремния и его допантов позволяют адаптировать существующие промышленные методы для создания кубитов, устойчивых к внешним помехам.

Прорыв в создании атомных массивов

Одним из ключевых достижений стало использование крошечных электродов на поверхности кремниевых чипов. Эти электроды позволяют точно фиксировать положение отдельных атомов, что обеспечивает высокую точность при создании атомных массивов. Более того, исследователи обнаружили, что такие массивы могут быть созданы с использованием новых элементов, таких как сурьма, висмут и германий, которые обладают уникальными свойствами, делающими их перспективными кандидатами для кубитов.

Особый интерес представляют диатомные молекулы сурьмы, которые образуют плотные пары атомов. Эти пары могут служить основой для создания множества высококачественных кубитов, управляемых с помощью единого электронного затвора. Такой подход, известный как «многокубитная операция», значительно упрощает управление квантовыми системами.

Следующие шаги

Теперь, когда ученые доказали эффективность новой методики, следующим шагом станет создание квантового процессора на основе атомных массивов. Для этого потребуется разработать схемы, позволяющие программировать и контролировать взаимодействия между кубитами.

Использование проверенных промышленных методов для создания масштабируемых атомных массивов делает кремний идеальным материалом для разработки надежных квантовых компьютеров. Это исследование не только приближает нас к эре квантовых технологий, но и подчеркивает важность кремния как ключевого элемента как для классических, так и для квантовых вычислений.