Искусственные атомы для квантовых компьютеров.

Когда были сформулированы основы квантовой механики, физики потерли руки, оглянулись и начали решать все задачи, какие только могли прийти в голову. И тут же обнаружили, что точно решить получается только сильно упрощенные задачи. На протяжении всех последующих лет в атомной и молекулярной физике из реальных объектов точное решение удалось получить только (!) для атома водорода, который одиноко живет в бесконечном, ничем не ограниченном пространстве. Для всех остальных химических элементов и соединений даже в бесконечном пространстве приходится использовать методы приближенных расчетов. При этом все прекрасно понимали и понимают, что такая постановка задачи справедлива разве что в случае сильно разряженного газа в глубоком космосе. А хочется все-таки описать вещи, которые можно пощупать. Вещество же вокруг нас сильно плотнее, нежели газовые облака в глубинах космоса, а значит, атомы и молекулы всегда имеют соседей, с которыми как-то взаимодействуют.

Поэтому сразу возник вопрос, как описать многоатомные системы, если даже для одного единственного атома (за исключением водорода) получить хоть какое-то решение удается только после танцев с бубном и при большой удаче? Ответом стала задача для атома, заключенного внутри некоторого ограниченного объема. Придавая разные свойства границе, физики моделируют взаимодействие атома с его соседями. Пожалуй, самая известная такая модель – это ячейка Вигнера-Зейца в физике твердого тела, с помощью которой удалось описать кристаллическую решетку и свойства щелочных металлов. При этом оказывается, что свойства границы оказывают существенное влияние на свойства удерживаемых внутри квантовых систем.

В 1981-м году Алексей Екимов впервые создал ограниченную квантовую систему особого типа – квантовую точку, обладающую рядом удивительных свойств. По сути своей квантовая точка представляет собой полость в полупроводнике, внутри которой находятся электроны. Размер полости настолько мал, что электроны в ней живут по квантовым законам. В результате квантовая точка обладает свойствами, аналогичными реальным атомам, и, в общем-то, ее совершенно оправдано можно назвать искусственным атомом, чьи характеристики напрямую зависят от формы и размера полости. А значит, изготавливая различные полости в полупроводнике, свойствами квантовой точки можно манипулировать.

В 2013 году команда ученых из Университета Нового Южного Уэльса начала исследования в области квантовых точек с большим количеством электронов на основе кремния . В последующие годы им удалось получить искусственные многоэлектронные атомы, аналогичные водороду, литию или натрию, т.е. атомам с одним валентным электроном, которые можно использовать как кубиты квантового компьютера. Однако, создать идеальную полость в полупроводнике невозможно, и, как следствие, использовать квантовую точку с одним электроном в качестве кубита невозможно из-за ее нестабильности, вызванной несовершенством полости. Но если количество электронов в квантовой точке увеличить, то ее стабильность существенно растет, и кубиты на полупроводниковой основе становятся возможными.

Новость эту недооценить нельзя. Реализация квантового компьютера на полупроводниковой основе обладает весьма и весьма большими преимуществами. Во-первых, работа ученых подразумевает возможность как менять по необходимости свойства кубитов, так и дает рецепт по увеличению стабильности их работы. А во-вторых, полупроводниковая реализация сильно дешевле. Сильно.

Очень интересная работа со всех сторон.

Leon, R.C.C., Yang, C.H., Hwang, J.C.C. et al. Coherent spin control of s-, p-, d- and f-electrons in a silicon quantum dot. Nat Commun 11, 797 (2020). https://doi.org/10.1038/s41467-019-14053-w

Источник: doi.org

Комментарии: