Революция квантовых вычислений приближается. Ну, почти. Трудно пропустить заголовки, провозглашающие великую мощь квантовых устройств последнего поколения, их способность превосходить обычные компьютеры, свойство, называемое квантовым превосходством, и огромные перспективы на годы вперед.
Но остается важный вопрос – как мы будем строить эти устройства? Квантовые компьютеры по-разному полагаются на фотоны и/или экзотические состояния материи, захваченные магнитными полями при невероятно низких температурах. Поэтому легко представить, что квантовые вычисления потребуют совершенно новой промышленной базы, основанной на новых технологиях.
Но есть и другая возможность: квантовые компьютеры могут работать с электронами, проходящими через транзисторные устройства, называемые квантовыми точками, вырезанными из кремния. Если это так, вся революция может опираться на промышленную базу, которая обеспечивает современное производство микросхем.
Теперь этот вариант выглядит еще на шаг ближе благодаря работе Анны-Марии Цвервер из Делфтского технологического университета в Дании и ее коллег, многие из которых работают в исследовательских лабораториях американского производителя микросхем Intel, базирующегося в Хиллсборо, штат Орегон. Эта группа создала наноразмерные кремниевые транзисторы, которые могут надежно обрабатывать квантовую информацию способами, соответствующими специализированным устройствам.
Но главный прорыв в том, что они сделали это, используя промышленные процессы изготовления микросхем с доходностью, достаточно высокой для обеспечения значительной масштабируемости. Это открывает путь к промышленному производству квантовых вычислительных чипов.
«Возможность создания высококачественных кубитов с использованием полностью промышленных технологий значительно увеличивает перспективы крупномасштабного квантового компьютера», - говорит команда.
Квантовые точки
Академические лаборатории уже некоторое время производят подобные устройства с квантовыми точками. Квантовая точка по сути похожа на транзистор, работающий на уровне одиночных электронов. Он состоит из канала, через который могут течь электроны, с затвором наверху, который ограничивает поток до одного электрона за раз.
Этот контроль – тонкое уравновешивание. Затвор формирует электрический потенциал в канале в виде ям, которые захватывают одиночные электроны – отсюда и термин квантовые точки. Эти лунки часто располагаются рядом с другими компонентами, которые управляют или считывают спин электрона.
Но электрические поля настолько тонкие, что на них влияет любое поле рассеяния от других компонентов, от загрязнений или даже дефектов в кремнии. Таким образом, любое незначительное изменение условий производства может испортить квантовые свойства электронов.
Вот почему изготавливать эти устройства можно было только на специальных объектах и то в небольшом количестве. Напротив, производство промышленных микросхем направлено на создание миллиардов транзисторов на одном кристалле. Ключевой вопрос заключается в том, можно ли сделать эти производственные условия достаточно однородными, чтобы создавать квантовые точки.
Ответ, по мнению Цвервер и ее коллег, положительный. Их чипы имеют диаметр 300 миллиметров и каждый содержит около 10 000 квантовых точек. Измерения команды показывают, что точки работают так же хорошо, как и созданные в специализированных учреждениях. «Мы достигаем наноразмерных структур затворов с поразительной однородностью», - говорят они.
«Односпиновая операция кубита с использованием магнитного резонанса показывает время релаксации более 1 с при 1 Тесла и время когерентности более 3 миллисекунд, что соответствует качеству кремниевых спиновых кубитов, о которых сообщалось на сегодняшний день», - говорят Цвервер и ее коллеги.
Это интересная работа, которая открывает путь к производству микросхем квантовых компьютеров в промышленных масштабах. Конечно, это все равно будут экзотические устройства. Для них потребуются огромные магнитные поля, в десятки тысяч раз более сильные, чем поле Земли. И их нужно будет охладить до сверхпроводящей температуры.
Так что в ближайшее время никто не будет носить их в заднем кармане. Но с крупномасштабным производством квантовые компьютеры могут вскоре стать стандартными аксессуарами на суперкомпьютерных объектах по всему миру, где сложные вычисления можно разделить на классические и квантовые компоненты, а затем передать на соответствующую машину для обработки.
Конечно, то, что это сделает возможным, является предметом серьезных дискуссий. Но перспектива промышленного производства должна помочь обострить мышление каждого.
