Ученые разработали горячий кубит с беспрецедентными характеристиками

Новости МирТесен

Ученые, работающие в области квантовых вычислений, как правило, сталкиваются с выбором: создать кубит, обладающий стабильностью, или кубит, демонстрирующий высокую скорость. Недавнее исследование, проведенное международной командой специалистов, показало возможность создания кубитов, не требующих компромисса между этими двумя характеристиками.

Квантовые компьютеры рассматриваются как ключ к технологическому прорыву, поскольку они способны значительно повысить скорость и усложнить задачи, которые могут быть решены. Квантовый бит, или кубит, является основой квантового компьютера. В отличие от классических битов, кубит способен представлять не только значения «0» и «1», но и находиться в суперпозиции, то есть одновременно существовать в обоих состояниях. Именно это свойство открывает перспективы для революционных изменений в науке и технике.

Существует множество подходов к созданию кубитов из различных материалов, и эти устройства функционируют на основе разнообразных физических принципов. Однако, у всех этих разработок есть одна общая трудность: либо они обладают недостаточной стабильностью в состоянии когерентности, необходимом для вычислений, либо управление кубитом затруднено из-за его особенностей.

Как правило, при разработке квантовых компьютеров исследователи сталкиваются с необходимостью выбора: либо обеспечить высокую скорость обработки данных, либо сохранить стабильность квантовых свойств. Впервые физикам удалось оптимизировать квантовый кубит, достигнув одновременного повышения скорости его функционирования и увеличения времени когерентности. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications.

Команда во главе с профессором Домиником Цумбюлем ( Dominik Zumbühl) создала кубит из полупроводниковой нанопроволоки, состоящей из германия с тонким слоем кремния на поверхности. Исследователи удаляли электрон с одного из энергетических уровней этой проволоки, что приводило к образованию «дырки», квазичастицы с положительным зарядом. Свойства образовавшейся дырки позволяют узнать, на каком из энергетических уровней она образовалась — «высоком» или «низком».

Для данной системы группа теоретиков несколько лет назад спрогнозировала механизм, который позволяет ускорить обработку кубита и одновременно увеличить время его когерентности работает на основе спин-орбитального взаимодействия. При нем движущаяся заряженная частица — электрон или дырка — создает магнитное поле. Это поле связывается со спином той же частицы и влияет на ее энергию. Для дырок в твердых телах такой эффект силен и может регулироваться электрическим полем.

Применение теории позволило ученым работать с созданными нанопроволоками. Подключая электрическое напряжение к созданной системе, они смогли контролировать место возникновения дырки. В зависимости от величины напряжения дырки проявлялись на низком, более высоком энергетическом уровне или их сочетании. При определенном соотношении ролей энергетических уровней в формировании дырки формируется плато. В этой области попытка ускорить работу кубита, наоборот, приводит к его замедлению.

На этой возвышенности воздействие внешних шумов на кубит значительно слабее, чем при стандартном спин-орбитальном взаимодействии. В результате квантовые состояния сохраняются дольше, а время когерентности увеличивается.

«Нам удалось увеличить время когерентности кубита в четыре раза, одновременно ускорив управление втрое. Обычно для работы кубитов требуются сверхнизкие температуры, не превышающие 100 милликельвин, однако в данном случае достаточно сравнительно „теплых“ для достижения такой температуры достаточно 1,5 кельвина. Это позволяет снизить энергозатраты и отказаться от использования редкого изотопа гелия-3», – сообщил доктор Мигель Х. Карбальидо ( Miguel J. Carballido), первый автор исследования.

На текущий момент метод плато демонстрирует свою эффективность только в нанопроволоках данного типа. В этих структурах дырки способны перемещаться исключительно в одном пространственном измерении. Тем не менее, ученые, авторы исследования, выражают надежду на возможность использования данного подхода и для двумерных полупроводников, а также для других типов кубитов. Это станет значительным продвижением в разработке более производительных квантовых компьютеров.