Одиночные электроны в кремнии научили общаться с фотонами

Квантовые компьютеры — устройства, выполняющие логические операции не с классическими битами, а с квантовыми, способными одновременно находиться в нескольких состояниях (например, одновременно быть на 25 процентов «нулем» и на 75 процентов — «единицей»). Такие вычислители позволяют гораздо быстрее справляться с задачами оптимизации, поиска и разложения целых чисел на простые множители. 

В роли кубитов, или квантовых битов, ученые используют различные физические системы, способные существовать в суперпозиции состояний — сверхпроводящие кольца, холодные атомы щелочных металлов, искусственные атомы (квантовые точки) и многие другие. Для выполнения логических операций требуется наладить взаимосвязь между кубитами. Сейчас эта взаимосвязь возможна лишь между соседними ячейками. Один из путей для обеспечения этой связи — передача квантового состояния неподвижного кубита фотону. 

Для этого необходимо реализовать режим сильной связи между кубитом и фотоном. В таких условиях передача квантового состояния должна происходить интенсивнее, чем рассеяние фотонов в резонаторе и чем исчезновение когерентности в кубите. Добиться эффективной передачи квантовой информации фотонам уже удалось для кубитов на основе атомов щелочных металлов, сверхпроводящих колец и оптических систем на основе квантовых точек. В новой работе физики показали эффективную передачу квантовой информации от одиночных электронов в двойных кремниевых квантовых точках к фотонам. 

Выбор кубитов на основе кремниевых квантовых точек связан с технологичностью кремния — современный уровень микроэлектроники позволяет добиваться высокой степени очистки материала, создавать из него сложные структуры. Кроме того, подобные кремниевые кубиты обладают достаточно большими временами жизни когерентного квантового состояния. Поэтому эта технология перспективна для создания кремниевых квантовых процессоров.

«В полупроводниковых устройствах этого никто не делал до нас, так как квантовое состояние разрушалось еще до того, как информация о нем могла быть передана» — рассказывает первый автор исследования, студент Принстонского университета Сяо Ми.

Устройство, в котором обеспечивается взаимодействие электрона с фотонами, выглядит следующим образом. Оно состоит из сверхпроводящего ниобиевого резонатора, в котором удерживаются кванты микроволнового излучения, а также многослойной структуры из кремния и кремния-германия, внутри которой находится пара квантовых точек. Провода, обеспечивающие питание устройства, также играли роль защиты от внешних излучений. Благодаря этому прибор обладал небольшим уровнем шумов — в 100-1000 раз меньше, чем его аналоги. 

Квантовое состояние электрона, находящегося в двойной квантовой точке, содержало в себе информацию о том, на каком из двух возможных энергетических уровней он находится (на одном, или одновременно на двух). Положение электрона определялось напряжением, приложенным к устройству. Авторы надеются в будущем модифицировать прибор и передавать фотону состояние о спине электрона. Подобного результата недавно добилась группа американских физиков из университета Мэриленда — ученые использовали фотонные кристаллы.

Ранее физики уже предлагали использовать оптические резонаторы в квантовых компьютерах. К примеру, ученые из России, США и Германии показали, что в качестве платформы для создания квантовых вычислителей можно использовать алмазные волокна с полостями. 

Владимир Королёв