В новой работе американские учёные рассказали об устройстве, которое позволяет преобразовывать непроводящие материалы в эффективные проводники для использования в квантовых компьютерах. Учёные считают, что данная разработка сделает такие компьютеры обычным явлением.
Кремний, второй по распространенности элемент на Земле, лежит в основе большинства современных вычислительных устройств. Своей умеренной электропроводностью он подходит для производства микросхем и транзисторов. Транзисторы — составляющие компьютера: они управляют электрическим током, либо останавливая его, либо пропуская.
Кремниевые возможности не бесконечны, у него есть ограничения, влияющие на вычислительную мощность устройства. Например, в отличие от металлов, при низких температурах кремний почти перестаёт проводить электрический ток из-за малого числа свободных электронов. Несмотря на то, что кремний легко пропускает электроны через свою структуру, он гораздо менее пригоден к… «дырочной проводимости» При токе, создаваемом квазичастицами с положительным зарядом, дыркой называют отсутствие электрона, что важно для определённых видов микросхем.
Также кремний обладает низкой теплопроводностью, что может привести к перегреву.
Все известные на сегодня суперкомпьютерыСостоят из компонентов с содержанием кремния. Несмотря на то, что такую технику позиционируют как «самую быструю», на самом деле это утверждение не всегда справедливо.
Для некоторых специальных задач их скорость значительно ниже. квантовых компьютеровОни отличаются от суперкомпьютеров отсутствием «кремниевых ограничений» (используются другие типы проводников) и применяют принципиально другую логику вычислений. Работают по квантовой механике, обрабатывая информацию не в битах, а в кубитах, которые вмещают больше данных.
В итоге квантовый компьютер, созданныйВ 2020 году учёные из Китайского научно-технического университета разработали алгоритм, способный за 200 секунд совершить вычисления, которые на классическом суперкомпьютере заняли бы полтора миллиарда лет.
Сегодня квантовые компьютеры — большой редкостью. IBM, Google и RigettiНизкая популярность обусловлена высокой стоимостью. Материалы для производства таких установок весьма дороги. В 2017 году канадская компания… D-Waveвыпустила на рынок квантовый компьютер D-Wave 2000QС процессором, имеющим мощность 2000 кубитов, цена которого составляет 15 миллионов долларов США.
Если бы квантовые компьютеры можно было создавать из простых и недорогих материалов, произошла настоящая вычислительная революция. Такое устройство смог бы позволить себе каждый учёный, с его помощью быстро и точно решались бы сложные задачи. Например, моделировать сложные молекулярные системы, что в химии и фармацевтике имеет большое значение.
В поисках методов снижения стоимости материалов, важных для квантовых вычислений, группа американских физиков из Калифорнийского университета в Ирвайне и Лос-Аламосской национальной лаборатории добилась успеха. опубликованной в журнале Nature CommunicationsУчёные разработали способ преобразования диэлектриков в проводники для использования в квантовых компьютерах.
Представьте, что стекло, обычно считающееся диэлектриком и дешевым в производстве, превращается в эффективный проводник тепла и электричества, подобный меди. Материалы, созданные нами в лаборатории с помощью нашего метода, обладают уникальными электрическими или квантовыми свойствами из-за своей формы и атомной структуры. пояснил Луис Хауреги (Luis Jauregui), один из авторов исследования.
Американские ученые создали устройство, названное «станцией». С помощью «станции» физики могут изменять структуру материала на атомном уровне: прикладывать напряжение и менять его атомную структуру. Так можно изменить свойства материала и повысить его тепло- и электропроводность. Затем материал применяется в квантовых вычислениях.
Во время экспериментов ученые подавали ток «обычному» пентателлуриду гафния (HfTe5), изменяв его таким образом, что материал обрел необычные квантовые характеристики. Теперь его можно применять как важную составляющую квантового компьютера.
Для создания подобных деталей требуется изменить атомную структуру материала, что возможно с помощью деформационной инженерии. объяснил Хауреги.
Регулируя силу тока, ученые могли активировать и деактивировать атомные трансформации, что существенно для разработки особых коммутаторов в квантовых вычислительных машинах.
Открытие американских ученых может стать прорывом в области квантовых вычислений: создание более мощных и эффективных компьютеров способно произвести революцию в медицине, материаловедении и технологиях искусственного интеллекта. Более доступные компоненты сделают квантовые компьютеры более распространенными.