Рекорд температуры: созданы "тёплые" кубиты для дешёвых квантовых компьютеров

Новые кубиты работают при относительно высокой температуре, что снижает стоимость необходимой системы охлаждения в тысячи раз. Но что самое приятное, их можно создать в обычном кремниевом чипе.

Достижение описано в двух научных статьях (1, 2), опубликованных в журнале Nature.

"Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) подробно рассказывали о том, что такое кубиты и квантовые компьютеры. Напомним, что законы квантовой физики позволяют квантовому биту (кубиту) хранить куда больше информации, чем обычному компьютерному биту, которому доступны только состояния "0" и "1". За счёт этого квантовые ЭВМ в перспективе станут гораздо мощнее обычных.

Однако физически изготовить кубит непросто. Квантовые эффекты капризны и проявляются лишь при весьма экзотических условиях. В частности, существующие кубиты требуют охлаждения до температур, которые выше абсолютного нуля лишь на десятые доли градуса Цельсия. Напомним, что абсолютный ноль температур — это минус 273 градуса по Цельсию. Даже в космосе не так холодно.

Охлаждать системы на Земле до столь низких температур — очень дорогое удовольствие. Кроме того, трудно создать систему из множества кубитов. Ведь каждый из них при работе выделяет тепло, которое мешает охлаждению соседних. Именно поэтому даже в самых мощных квантовых компьютерах современности число кубитов измеряется десятками. Между тем для применения квантовых машин в практических областях (например, разработке лекарств) требуются системы с миллионами кубитов.

Новый кубит стал настоящим прорывом для тех, кто любит погорячее. Его рабочая температура выше абсолютного нуля не на типичные 0,1, а на рекордные 1,5 градуса Цельсия. То есть она выше обычной в 15 раз.

"Это всё ещё очень холодно, но это температура, которой можно достичь, используя [систему] охлаждения всего за несколько тысяч долларов, а не за миллионы долларов, необходимые для охлаждения чипов до 0,1 Кельвина", — объясняет соавтор разработки Эндрю Джурак (Andrew Dzurak) из Университета Нового Южного Уэльса.

Разумеется, устройство, в котором одна только система охлаждения стоит тысячи долларов, сможет позволить себе далеко не каждая организация. Однако тысячекратная экономия — это существенный шаг вперёд.

Исследователи продемонстрировали пару кубитов на основе двух квантовых точек в кремнии. Напомним, что квантовая точка — это микроскопический фрагмент вещества, в котором "заперты" и не могут его покинуть носители заряда — электроны и дырки. Из-за малого размера такой области (она не зря называется точкой) в её поведении проявляются квантовые эффекты (поэтому она и квантовая).

Нынешние квантовые компьютеры требуют громоздких и дорогих систем охлаждения.

Фото IBM Research.

По надёжности работы и сроку "хранения" квантового состояния новые кубиты не уступают более привычным аналогам, реализованным на основе отдельных атомов, ионов или сверхпроводящих контуров. Но благодаря более высокой рабочей температуре они значительно дешевле.

Ещё одно преимущество новой системы в том, что кубиты возникают внутри обычного кремниевого чипа. Поэтому подобные устройства будут сравнительно дёшевы в производстве. И, кстати, их легче будет интегрировать с классическими компьютерами (а эпоха такого объединения настаёт на наших глазах).

К слову, ранее "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) писали о том, как кубиты впервые были получены в материале для бытовой электроники. Между тем физики не прекращают поиск решений, способных приблизить эру квантовых вычислений.