Создание квантового компьютера — это нелегкий процесс, требующий комплексного подхода для решения самых разных задач. И одна из основных проблем заключается в необходимости использования дорогих экзотических материалов для создания таких же экзотических электронных схем. К счастью, команда инженеров из Университета Нового Южного Уэльса смогла создать первый в мире квантовый логический вентиль на основе традиционного кремния.

Инженеры создали устройство, которое позволяет двум квантовым битам (кубитам) взаимодействовать друг с другом. Благодаря тому, что этот логический вентиль построен на базе кремния, создание настоящего квантового компьютера стало ближе к реальности.

В обычных электронных компьютерах (будь то ПК, планшет или смартфон) информация хранится в виде битов, имеющих значение 0 и 1. В квантовых же компьютерах кубиты способны находится в состоянии (или, другими словами, иметь значения) и 0 и 1 в одно и то же время. Эта способность кубитов в теории позволит квантовым компьютерам значительно быстрее проводить множество одновременных и параллельных вычислений.

Проблема же заключается в том, что полноценному квантовому компьютеру нужно производить операции не просто с одним отдельно взятым кубитом, а научить эти кубиты взаимодействовать друг с другом. Такой двубитный процесс может быть использован для создания логических вентилей — базовых элементов цифровой схемы, выполняющих элементарную логическую операцию. Квантовые логические вентили ученые уже создали. Однако их создание потребовало использования экзотических материалов.

Ранее было «доказано», что создать квантовый логический вентиль на базе кремния будет невозможно.

«Квантовое логическое состояние закодировано в спине одиночного электрона», — объясняет Эндрю Джурак, руководитель нового исследования.

«Основная проблема заключается в том, как создать логический канал между двумя электронно-спиновыми кубитами, так как электронам необходимо находиться друг от друга на очень близком расстоянии (около 20-40 нанометров), и при этом нам нужна возможность управления такими электронами. Было доказано, что ввиду чрезмерно малых масштабов добиться этого практически невозможно или по крайней мере очень и очень трудно».

Для решения вопроса новая команда исследователей решила позаимствовать некоторые концепты работы существующих транзисторов и добилась взаимодействия между собой кубитов на основе кремния. Они взяли транзисторы, не сильно отличающиеся от тех, которые используются в наших компьютерах и смартфонах, реконфигурировали их таким образом, чтобы один из транзисторов имел только один связанный с ним электрон. Так как состояние квантового бита может определяться спином отдельного электрона, этот процесс превратил каждый транзистор в отдельный кубит. В опубликованной статье в журнале Nature команда исследователей рассказала о том, что они могут использовать металлические электроды на транзисторах для управления кубитами и их взаимодействия между собой.

«Ключевым прорывом было обнаружение того, что мы можем независимо обращаться к каждому кубиту в отдельности, путем обычного изменения вольтажа, подаваемого на металлический затвор над ним», — объясняет Джурак.

«Это действительно упрощает нашу задачу по работе с квантовыми логическими гейтами».

Полноразмерный квантовый компьютерный процессор с тысячами отдельных кубитов в представлении художника

Создание подобной квантовой схемы на базе кремния является действительно важным достижением, потому что компьютерный мир активно использует именно этот материал. Команда ученых отмечает, что так как их подход в общем и целом использует уже существующие технологии, то создать полноразмерный квантовый чип получится гораздо быстрее. Хотя задача все равно будет непростой.

«Потребуется много инженерной работы для разработки топологии соединений, необходимых для операций чтения и записи тысяч или даже миллионов CMOS-кубитов», — объясняет Джурак.

«Так как работа построена на заимствовании многих аспектов дизайна CMOS-чипов, нам необходимо реорганизовать эти аспекты в рамках сотрудничества с производителями и разработчиками этих CMOS-чипов».

«При достаточном уровне инвестиций, в течение 5 лет у нас появятся чипы с десятками, а то и сотнями содержащихся в них CMOS-кубитов», — говорит Джурак.