Новая технология получения квантовых битов (кубитов) в пластинах из карбида кремния может создать масштабируемую платформу для будущих квантовых компьютеров. К удивлению исследователей, квантовые биты могут быть получены даже в обычном коммерческом кремниевом чипе, созданном для привычных нам вычислений.
«Иронично, что после 50 лет или около того попыток очистить полупроводники для создания высококачественной электроники наш план состоит в том, чтобы вернуть дефекты и использовать их для создания квантовых битов», — говорит профессор Дэвид Авшалом, занимающийся молекулярной инженерией в университете Чикаго.
Авшалом говорит, что его группа в Чикаго обнаружила, что мелкими дефектами в карбиде кремния можно манипулировать, чтобы сделать их по существу клетками при комнатной температуре для отдельных электронов, чьи спины затем можно использовать в качестве квантовых битов для всевозможных вычислений и коммуникаций.
Эти невзрачные пластины сделаны из карбида кремния.
Последующее исследование установило, что эти отдельные спины электронов внутри карбида кремния сохраняют свою квантовую информацию до миллисекунды — это немалое время в мире квантовых вычислений — и могут быть настроены и адресованы как с помощью электрических затворов, так и с помощью лазеров.
Новый метод предлагает создать редкую среду, достаточно изолированную от теплового шума, чтобы приобретать такие квантовые свойства, как запутанность, но не настолько изолированную, чтобы кубитами нельзя было манипулировать и считывать информацию через ряд вентилей и логических операций.
«Наш подход заключается в том, чтобы посмотреть, сможем ли мы использовать активно развивающуюся американскую компьютерную отрасль, чтобы доделать нашу технологию и выпустить новейшую квантовую наноэлектронику», — говорит Авшалом.
«Мы просто купили коммерческие устройства с карбидом кремния и создали в них дефекты, после чего стали смотреть, насколько хорошо они работают. Разумеется, мы были настроены довольно пессимистично, потому что такой материал не приспособлен для квантовых информационных технологий», — говорит он. «Вы можете подумать, что это пустая затея. Но в этом вся прелесть исследований: вы все равно попробуете. И мы получили целую серию явлений, которые мы, честно говоря, не ожидали увидеть».
A — это схема установки с электронным пучком, создающим дефект в кремнии. B — результат под электронным микроскопом.
Другими словами, это сработало. В своей статье, опубликованной в недавнем выпуске журнала Science, группа Авшалома сообщает, что искусственные дефекты, созданные в диодах из карбида кремния, образуют одноэлектронные карманы, которые остаются стабильными даже при температурах, значительно выше комнатной. Из-за конфигурации дефектов, связанных с симметрией решетки карбида кремния, спином отдельного электрона можно манипулировать не только магнитными полями, но и электрическими полями.
«Единственное, что мы можем сделать сегодня, это повторить технологию создания процессоров в наших гаджетах — то есть создать множество транзисторов, управляемых электрическими затворами», — говорит Авшалом. «Поэтому, если вы можете управлять их квантовыми состояниями и магнитными свойствами с помощью электрических полей, у вас есть преимущество. Вы можете масштабировать их с помощью современных электронных технологий».
Другой ключевой находкой в исследованиях группы, по его словам, является возможность настройки этих электронных спинов, чтобы работать с ними можно было при помощи лазерных импульсов.
Исследователи опубликовали еще одну недавнюю статью в журнале Science Advances, в которой говорится, что те же кубиты из карбида кремния могут быть потенциальной средой для квантовой связи. То есть спинами электронов можно манипулировать, чтобы они резонировали со светом в широком диапазоне частот (например, в диапазоне 800 ГГц). При этом, как говорит Авшалом, ширина линии спинов довольно узкая — всего 20 мегагерц.
Нет, это не ночное небо, снятое на iPhone. Эти желто-зеленые точки представляют участки на пластине из карбида кремния, где электронный луч выбил один атом кремния и один атом углерода. То, что осталось, это «дивакансионный» карман, в котором находится один адресуемый электрон.
Это означает, что любой отдельный кубит потенциально может быть настроен для связи в одном из примерно 40 000 отдельных частотных диапазонов — что-то вроде квантового радиоприемника с примерно 40 000 отдельными каналами. «Вы можете начать думать о квантовом мультиплексировании в коммерческой кремниевой пластине», — говорит Авшалом.
Для ясности — у группы Авшалома в настоящее время нет ничего похожего на работающий квантовый компьютер. С технической точки зрения, у них еще нет даже доказуемо жизнеспособного квантового бита — например, такого, на котором можно надежно и многократно проводить квантовые вычисления или обмениваться квантовыми данными. Но, с другой стороны, у них есть потенциальные кубиты и квантовые компьютерные технологии с изрядной долей врожденных перспектив.
«Мы пока не строим квантовые компьютеры из карбида кремния», — говорит Авшалом. «Но, что удивительно, достаточно легкодоступные пластины имеют прекрасные квантовые свойства, которые могут стать объектом изучения для многих исследователей. Одна из захватывающих вещей в этом открытии — даже небольшие лаборатории могут через интернет купить эти кремниевые пластины и провести над ними квантовые эксперименты».
