Американские ученые представили устройство, позволяющее преобразовать материалы с низкой электропроводностью в высокоэффективные проводники, что открывает перспективы для применения в квантовых компьютерах. По словам исследователей, эта разработка приблизит квантовые вычисления к практическому применению».
Кремний, второй по распространенности химический элемент на Земле, является основой для большей части современной вычислительной техники. Благодаря умеренной электрической проводимости, он часто применяется при создании компьютерных микросхем и транзисторов. Транзисторы, являясь ключевыми компонентами современного компьютера, функционируют как переключатели, которые могут прерывать или пропускать электрический ток.
Однако возможности кремния не безграничны, он имеет ограничения, влияющие на вычислительную мощность устройства. Например, в отличие от металлов, при пониженных температурах кремний практически перестает проводить электрический ток из-за недостатка свободных электронов. Хотя кремний и позволяет электронам проходить через свою структуру, он значительно менее эффективен в «дырочной проводимости» (когда ток переносится квазичастицами, обладающими положительным зарядом (такими как «дырки», представляющие собой вакантные места для электронов), это играет важную роль в работе некоторых микросхем. Кроме того, кремний характеризуется невысокой теплопроводностью, что приводит к проблемам, связанным с перегревом.
Все известные на сегодня суперкомпьютеры состоят из компонентов, в состав которых входит кремний. Хотя такие устройства и преподносят как «самые быстрые», на деле это не совсем верно.
В некоторых специализированных задачах их производительность значительно ниже квантовых компьютеров, в отличие от суперкомпьютеров, квантовые компьютеры не ограничены кремниевыми технологиями, поскольку используют альтернативные типы проводников и применяют иную логику вычислений. Они основаны на принципах квантовой механики и обрабатывают информацию не в битах, а в кубитах, что позволяет им вмещать значительно больший объем данных.
В итоге квантовый компьютер, созданный в 2020 году ученым из Научно-технического университета Китая, за 200 секунд может выполнить специализированный расчет, который у классического суперкомпьютера занял бы полтора миллиарда лет.
На сегодняшний день квантовые компьютеры — это скорее исключение, доступные лишь ограниченному числу компаний из Китая, Канады, Европы и США, включая IBM, Google и Rigetti. Основная причина ограниченного распространения заключается в высокой стоимости. Компоненты, используемые при производстве таких систем, имеют значительную цену. В 2017 году канадская компания D-Wave выпустила на рынок квантовый компьютер D-Wave 2000Q с процессором на 2000 кубит стоимостью 15 миллионов долларов США.
Если бы квантовые компьютеры могли быть созданы из доступных и недорогих материалов, это спровоцировало бы настоящую вычислительную революцию. Такая возможность позволила бы любому исследователю использовать вычислительную мощность для решения сложных задач. Например, стало бы возможной точная и быстрая симуляция сложных молекулярных систем, что имеет огромное значение для химии и фармацевтики.
Ученые на протяжении долгого времени пытаются найти способ снизить стоимость материалов, используемых для производства квантовых компьютеров. И, судя по всему, группе американских физиков из Калифорнийского университета в Ирвайне и Лос-Аламосской национальной лаборатории это удалось. В работе, опубликованной в журнале Nature Communications, по мнению исследователей, разработанный ими метод позволяет преобразовывать диэлектрики в проводящие материалы, пригодные для использования в квантовых вычислениях.
«Вообразите, что вы берете стекло, которое традиционно классифицируется как диэлектрик и отличается низкой стоимостью производства, и трансформируете его в эффективный проводник тепла и электричества, сопоставимый с медью. Разработанные нами в лабораторных условиях материалы — это вещества, демонстрирующие уникальные электрические или квантовые характеристики благодаря их особой форме и атомной структуре», — пояснил Луис Хауреги (Luis Jauregui), один из авторов исследования.
Американские ученые создали устройство, получившее название «станция». С его помощью физики способны изменять структуру материала на атомном уровне, контролируя при этом приложенное напряжение. Это позволяет модифицировать электронные характеристики образца, повышая его тепло- и электропроводность, что открывает возможности для использования материала в квантовых вычислениях.
Прилагая напряжение к пентателлуриду гафния (HfTe5), ученым удалось изменить его свойства и создать материал с уникальными квантовыми характеристиками, представляющий собой ценный компонент для квантовых компьютеров.
«Для изготовления подобных элементов необходимо нарушить атомную структуру материала. Достичь этого позволяет деформационная инженерия», — объяснил Хауреги.
Регулируя величину напряжения, ученые получили возможность управлять изменениями, происходящими на атомном уровне, что имеет ключевое значение для разработки специализированных переключателей в квантовых компьютерах.
Прорывные исследования, проведенные американскими учеными, способны значительно продвинуть область квантовых вычислений. Это может привести к созданию более мощных и эффективных компьютеров, которые произведут революцию в медицине, материаловедении и технологиях искусственного интеллекта. Также ожидается снижение стоимости компонентов, используемых для создания таких устройств, что сделает квантовые компьютеры более доступными.