Для разработчиков квантовых компьютеров обычно возникает дилемма: создать стабильный кубит или обеспечить его высокую скорость. Однако международная группа исследователей предложила решение, позволяющее создавать кубиты, сочетающие в себе обе эти характеристики.
Предполагается, что квантовые компьютеры совершат технологический прорыв, обеспечив значительное повышение скорости и расширение возможностей вычислений. Ключевым элементом квантового компьютера является кубит. В отличие от классических битов, кубит способен принимать не только значения «0» и «1», но и находиться в состоянии суперпозиции, объединяя оба значения одновременно. Именно эта особенность открывает перспективы для новой эры в научном и техническом прогрессе.
Различные материалы используются для создания кубитов, и эти устройства функционируют на основе широкого спектра физических принципов. Однако все существующие разработки сталкиваются с общей проблемой: они либо характеризуются недостаточной когерентностью, необходимой для вычислений, либо не позволяют быстро управлять кубитом.
Как правило, ученым приходится идти на компромисс между скоростью работы квантового компьютера и сохранением его квантовых свойств. Физикам удалось добиться настройки квантового кубита, которая позволила одновременно повысить и производительность, и время когерентности. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications.
Команда во главе с профессором Домиником Цумбюлем ( Dominik Zumbühl) создала кубит, используя полупроводниковую нанопроволоку из германия с тонким кремниевым слоем 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».
Теоретическая группа специалистов ранее разработала модель, которая, по их мнению, способна повысить скорость обработки кубита и увеличить продолжительность 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.
Теоретические положения были использованы при исследовании нанопроволок. Подключая электрическое напряжение к созданной системе, ученым удалось контролировать местоположение дырки. В зависимости от величины напряжения дырки генерировались на низком, более высоком энергетическом уровне или их комбинации. При определенном соотношении энергетических уровней, участвующих в создании дырки, формируется плато. В пределах этой зоны попытки увеличить скорость работы кубита приводят к ее снижению.
На этой возвышенности влияние внешних шумов на кубит значительно меньше, чем при стандартном спин-орбитальном взаимодействии. В результате квантовые состояния сохраняются дольше, а время когерентности увеличивается.
«Нам удалось увеличить время когерентности нашего кубита в четыре раза, а также ускорить управление втрое. Обычно для работы кубитов требуются сверхнизкие температуры менее 100 милликельвин, но в данном случае достаточно сравнительно „теплых“ это достигается при температуре 1,5 кельвина, что снижает потребление энергии и исключает необходимость использования редкого изотопа гелия-3», — сообщил доктор Мигель Х. Карбальидо ( Miguel J. Carballido), первый автор исследования.
На данный момент метод плато эффективен только при работе с нанопроволоками данного типа. В них дырки способны перемещаться исключительно в одном пространственном измерении. Тем не менее, ученые, авторы исследования, выражают надежду на возможность адаптации этого подхода к двумерным полупроводникам и другим видам кубитов. Это станет значительным прогрессом в разработке более производительных квантовых компьютеров.