Ученые создают квантовые состояния в обычной электронике
Квантовые состояния можно интегрировать и контролировать в обычно используемых электронных устройствах
После десятилетий миниатюризации электронные компоненты, на которые мы полагаемся для создания компьютеров, теперь начинают подходить к своему фундаментальному пределу. Столкнувшись с этой проблемой, инженеры и ученые всего мира обращаются к принципиально новой парадигме: квантовым информационным технологиям.
Квантовая технология, которая использует правила, которые управляют частицами на атомном уровне, обычно считается слишком деликатной, чтобы сосуществовать с электроникой, которую мы используем каждый день в телефонах, ноутбуках и автомобилях.
Однако ученые из Чикагского университета объявили о значительном прорыве: квантовые состояния можно интегрировать и контролировать в обычно используемых электронных устройствах, изготовленных из карбида кремния.
«Возможность создавать и контролировать высокопроизводительные квантовые биты в коммерческой электронике была неожиданностью», — сказал ведущий исследователь Дэвид Авшалом, профессор по молекулярной инженерии в UChicago и пионер в области квантовых технологий.
«Эти открытия изменили наш подход к разработке квантовых технологий — возможно, мы сможем найти способ использовать современную электронику для создания квантовых устройств».
В двух статьях ученые продемонстрировали, что они могут электрически управлять квантовыми состояниями, встроенными в карбид кремния. Этот прорыв может предложить средства для более легкого проектирования и создания квантовой электроники — в отличие от использования экзотических материалов, которые ученые обычно используют для квантовых экспериментов, таких как сверхпроводящие металлы, левитированные атомы или алмазы.
Квантовые состояния в карбиде кремния обладают дополнительным преимуществом излучения отдельных частиц света с длиной волны вблизи телекоммуникационного диапазона. Это делает их хорошо подходящими для передачи на большие расстояния через ту же оптоволоконную сеть, которая уже транспортирует 90 процентов всех международных данных во всем мире.
Более того, эти легкие частицы могут приобретать новые захватывающие свойства в сочетании с существующей электроникой. Например, в статье «Научные достижения» команда ученых смогла описать то, что Дэвид Авшалом назвал «квантовым FM-радио»; точно так же, как музыка передается на автомобильный радиоприемник, квантовая информация может передаваться на очень большие расстояния.
«Вся теория предполагает, что для достижения хорошего квантового контроля в материале он должен быть чистым и свободным от флуктуирующих полей», — говорят исследователи. «Наши результаты показывают, что при правильной конструкции устройство может не только смягчать эти загрязнения, но и создавать дополнительные формы контроля, которые ранее были невозможны».
Кроме того, во второй научной статье исследователи описывают второй прорыв, который решает очень распространенную проблему в квантовой технологии: шум.
«Примеси распространены во всех полупроводниковых устройствах, и на квантовом уровне эти примеси могут скремблировать квантовую информацию, создавая шумную электрическую среду», — сказал аспирант Крис Андерсон, соавтор статьи. «Это почти универсальная проблема для квантовых технологий».
Но, используя один из основных элементов электроники — диод, односторонний переключатель для электронов, — исследователи обнаружили еще один неожиданный результат: квантовый сигнал внезапно стал свободным от шума и стал почти идеально стабильным.
Интегрируя странную физику квантовой механики с хорошо развитой классической полупроводниковой технологией, ученые прокладывают путь к наступающей революции квантовой технологии.
«Эта работа приближает нас на один шаг к созданию систем, способных хранить и распространять квантовую информацию по мировым оптоволоконным сетям», — говорят исследователи.
«Такие квантовые сети привели бы к появлению нового класса технологий, позволяющих создавать неиссякаемые каналы связи, телепортацию отдельных электронных состояний и реализацию квантового интернета».
Christopher P. Anderson et al. Electrical and optical control of single spins integrated in scalable semiconductor devices, Science (2019). DOI: 10.1126/science.aax9406
Kevin C. Miao et al. Electrically driven optical interferometry with spins in silicon carbide, Science Advances (2019). DOI: 10.1126/sciadv.aay0527