Инженеры создали впечатляюще стабильный квантовый кремниевый чип из искусственных атомов

Москва, 13:32, 11 Фев 2020, редакция FTimes.ru, автор Сергей Кузнецов.

Вновь созданный кремниевый чип на искусственных атомах может стать новой основой для квантовых вычислений.

Инженеры в Австралии нашли способ сделать эти искусственные атомы более стабильными, что, в свою очередь, могло бы создать более согласованные квантовые биты или кубиты — основные единицы информации в квантовой системе.

Исследование основано на предыдущей работе группы, в которой они создали самые первые кубиты на кремниевом чипе, который мог обрабатывать информацию с точностью более 99 процентов. Теперь они нашли способ минимизировать частоту ошибок, вызванную несовершенством кремния.

«Что нас действительно волнует в наших последних исследованиях, так это то, что искусственные атомы с большим числом электронов оказываются гораздо более устойчивыми кубитами, чем считалось ранее возможным, то есть их можно надежно использовать для вычислений в квантовых компьютерах», — сказал квантовый инженер Эндрю Дзурак. Университета Нового Южного Уэльса (UNSW) в Австралии.

«Это важно, потому что кубиты, основанные только на одном электроне, могут быть очень ненадежными».

В реальном атоме электроны сгущаются в трех измерениях вокруг ядра. Эти трехмерные орбиты называются электронными оболочками, и элементы могут иметь разное количество электронов.

Искусственные атомы — также известные как квантовые точки — представляют собой наноразмерные полупроводниковые кристаллы с пространством, которое может захватывать электроны и ограничивать их движение в трех измерениях, удерживая их на месте с помощью электрических полей.

Команда создала свои атомы, используя металлический поверхностный затворный электрод для подачи напряжения на кремний, привлекая запасные электроны из кремния в квантовую точку.

«В реальном атоме у вас есть положительный заряд в середине, являющийся ядром, и затем отрицательно заряженные электроны удерживаются вокруг него на трехмерных орбитах», — объяснил физик твердого тела Андре Сарайва из UNSW.

«В нашем случае, не положительное ядро, а положительный заряд исходит от электрода затвора, 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 формировать сферу, они расположены плоско, в виде диска».

Водород, литий и натрий являются элементами, которые могут иметь только один электрон в своей электронной оболочке. Это модель, используемая для квантовых вычислений. Когда команда ученых создает искусственные атомы, эквивалентные водороду, литию и натрию, они могут использовать этот единственный электрон в качестве кубита, квантовой версии двоичного бита.

Однако, в отличие от двоичных битов, которые обрабатывают информацию в одном из двух состояний (1 или 0), кубит может находиться в состоянии 1, 0 или обоих одновременно — в состоянии, называемом суперпозицией, — на основе их спиновых состояний. Это означает, что они могут выполнять параллельные вычисления, а не последовательные, что делает их гораздо более мощным вычислительным инструментом.

Это то, что команда продемонстрировала ранее, но система не была идеальной.

«До сих пор несовершенства кремниевых устройств на атомном уровне нарушали поведение кубитов, приводя к ненадежной работе и ошибкам», — сказал квантовый инженер UNSW Росс Леон.

Итак, команда повысила напряжение на своем электроде затвора, который привлек больше электронов. Эти электроны, в свою очередь, имитируют более тяжелые атомы, которые имеют множественные электронные оболочки. В искусственных атомах, как и в реальных атомах, эти оболочки предсказуемы и хорошо организованы.

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

Эта новая установка также, по-видимому, компенсирует ошибки, вызванные несовершенством атомного масштаба в кремниевом чипе.

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

«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».

Исследование было опубликовано в журнале Nature Communications.