Искусственные атомы создают стабильные кубиты для квантовых вычислений

Квантовые инженеры из UNSW Sydney создали искусственные атомы в кремниевых чипах, которые обеспечивают улучшенную стабильность для квантовых вычислений.

В статье, опубликованной в Nature Communications, исследователи квантовых вычислений UNSW описывают, как они создали искусственные атомы в кремниевой «квантовой точке», крошечном пространстве в квантовой цепи, где электроны используются как кубиты (или квантовые биты), основные единицы квантовой информации.

Профессор Эндрю Джурак объясняет, что в отличие от реального атома, у искусственного атома нет ядра, но у него все еще есть электроны, вращающиеся вокруг центра устройства, а не вокруг ядра атома.

«Идея создания искусственных атомов с использованием электронов не нова, фактически она была впервые предложена теоретически в 1930-х годах, а затем экспериментально продемонстрирована в 1990-х годах, хотя и не в кремнии. Мы впервые сделали ее элементарную версию в кремнии еще в 2013 году»,  — говорит Эндрю Джурак.

«Но что нас действительно волнует в наших последних исследованиях, так это то, что искусственные атомы с большим числом электронов оказываются гораздо более надежными кубитами, чем считалось ранее, что означает, что их можно надежно использовать для расчетов в квантовых компьютерах. Это важно, поскольку кубиты основанный только на одном электроне могут быть очень ненадежным».

Новая химия

Профессор Джурак сравнивает различные типы искусственных атомов, которые его команда создала, с некой периодической таблицей для квантовых битов, которая, по его словам, вполне имеет место быть, учитывая, что 2019 год — когда была проведена эта новаторская работа — был Международным годом периодической таблицы Менделеева.

«Если вы вспомните школьный урок в старшей школе, вы можете вспомнить диаграмму, висящую на стене, в которой перечислены все известные элементы в порядке возрастания количества электронов, начиная с водорода с одним электроном, гелия с двумя, лития с тремя и так далее».

«Возможно, вы даже помните, что по мере того, как каждый атом становится все тяжелее, с увеличением количества электронов, они организуются на разные уровни орбиты, известные как «оболочки».

«Оказывается, что когда мы создаем искусственные атомы в наших квантовых цепях, они также имеют хорошо организованные и предсказуемые оболочки электронов, как это делают естественные атомы в периодической таблице».

Ученые создали квантовое устройство в кремнии, чтобы проверить стабильность электронов в искусственных атомах.

Они подали напряжение на кремний через металлический «затворный» электрод, чтобы привлечь электроны из кремния и сформировать квантовую точку, очень малое пространство диаметром всего около 10 нанометров.

«Поскольку мы медленно увеличиваем напряжение, мы будем втягивать новые электроны, один за другим, чтобы сформировать искусственный атом в нашей квантовой точке», — говорит доктор Андре Сарайва, который руководил теоретическим анализом результатов.

«В реальном атоме у вас есть положительный заряд в середине, являющийся ядром, и затем отрицательно заряженные электроны удерживаются вокруг него на трехмерных орбитах. В нашем случае положительное не ядро, а положительный заряд исходит от  затворного электрода, который отделен от кремния изолирующим барьером из оксида кремния, а затем электроны подвешены под ним, каждый из которых вращается вокруг центра квантовой точки. Но вместо того, чтобы образовать сферу, они расположены плоско, как в диске».

Что произошло, когда дополнительный электрон начал заполнять новую внешнюю оболочку? В периодической таблице элементы только с одним электроном в их внешних оболочках включают водород и металлы литий, натрий и калий.

«Когда мы создаем эквивалент водорода, лития и натрия в квантовой точке, мы в основном можем использовать этот одинокий электрон на внешней оболочке в качестве кубита», — говорят исследователи.

«До сих пор несовершенства кремниевых устройств на атомном уровне нарушали поведение кубитов, приводя к ненадежной работе и ошибкам. Но кажется, что дополнительные электроны во внутренних оболочках действуют как «праймер» на несовершенной поверхности квантовой точки, сглаживая все и придавая электрону стабильность во внешней оболочке».

Квантовый кремниевый компьютер

Достижение стабильности и контроля над электронами является решающим шагом к тому, чтобы квантовые компьютеры на основе кремния стали реальностью. Там, где классический компьютер использует «биты» информации, представленной либо 0, либо 1, кубиты в квантовом компьютере могут хранить значения 0 и 1 одновременно.

Это позволяет квантовому компьютеру выполнять вычисления параллельно, а не друг за другом, как это делал бы обычный компьютер. Мощность обработки данных квантового компьютера увеличивается экспоненциально с увеличением количества доступных ему кубитов.

Значение — это спин электрона, который мы используем для кодирования значения кубита, объясняет профессор Джурак.

«Спин — это квантово-механическое свойство. Электрон действует как крошечный магнит и в зависимости от того, каким образом он вращается, его северный полюс может указывать вверх или вниз, что соответствует 1 или 0».

«Когда электроны в реальном атоме или в наших искусственных атомах образуют целостную оболочку, они выравнивают свои полюса в противоположных направлениях, так что общее вращение системы равно нулю, что делает их бесполезными в качестве кубита. Но когда мы добавим на электрон больше, чтобы начать новую оболочку, то у этого дополнительного электрона есть спин, который мы теперь можем снова использовать в качестве кубита».

«Наша новая работа показывает, что мы можем контролировать вращение электронов во внешних оболочках этих искусственных атомов, чтобы дать нам надежные и стабильные кубиты».

«Это действительно важно, потому что это означает, что теперь мы можем работать с гораздо менее хрупкими кубитами. Один электрон — очень хрупкая вещь. Однако искусственный атом с 5 электронами или 13 электронами гораздо более устойчив».

Группа профессора Джурака была первой в мире, которая продемонстрировала квантовую логику между двумя кубитами в кремниевых устройствах в 2015 году, а также опубликовала проект для полномасштабной архитектуры квантовых компьютерных чипов, основанной на технологии CMOS, которая является той же технологией, которая используется для производства современных компьютерных чипов.

«Используя кремниевую CMOS-технологию, мы можем значительно сократить время разработки квантовых компьютеров с миллионами кубитов, которые понадобятся для решения глобальных проблем, таких как разработка новых лекарств или новых химических катализаторов для снижения потребления энергии» — говорят исследователи.

В продолжение этого последнего прорыва группа изучит, как правила химической связи применяются к новым искусственным атомам, чтобы создать «искусственные молекулы». Они будут использованы для создания улучшенных многокубитных логических элементов, необходимых для реализации крупномасштабного кремниевого квантового компьютера.

Nature Communications (2020). DOI: 10.1038/s41467-019-14053-w