Как устроен идеальный квантовый чип, созданный из искусственных атомов

Квантовые вычисления – невероятно перспективная область, однако современные квантовые компьютеры нельзя назвать совершенными. Одна из причин заключается в том, что сама структура материалов плохо подходит для сверхточных операций в силу естественных дефектов. Однако ученые стараются устранить этот недостаток. Недавно группа инженеров смогла минимизировать частоту ошибок, вызванных несовершенством кремниевого чипа, чтобы точность обработки информации превысила 99%.

Основная единица информации в квантовой системе – квантовый биты, или кубиты. Инженеры отмечают, что на практике куда большей устойчивостью обладают не натуральные, а искусственные материалы из синтезированных атомов с большим числом электронов. В «настоящем» атоме электроны постоянно движутся вокруг ядра в трех измерениях, формируя т.н. электронные оболочки – орбиты траектории их движения. Как все мы знаем из школьного курса химии, у атомов разных элементов разное количество электронов.

Искусственные же 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 на месте с помощью электрических полей. У водорода, лития и натрия в электронной оболочке находится лишь один электрон, а потому его удобно использовать в качестве кубита, самой малой единицы информации.

В двоичной системе бит может находиться в одной из двух позиций, которые условно обозначают как 0 и 1. Однако у кубита есть третье состояние, суперпозиция. Оно позволяет выполнять вычисления параллельно, а не последовательно, что делает квантовые системы весьма мощным вычислительным инструментом.

По словам Росса Леона, одного из инженеров, решение оказалось весьма непростым. Манипулируя с напряжением, ученые искусственно привлекли избыток электронов к структуре, в результате чего получилась имитация более тяжелых атомов с хорошо организованными, избавленными от несовершенств и ошибок электронными оболочками. Эта мера позволила нивелировать сам факт того, что атомная структура чипа может содержать в себе поврежденные участки, а значит и сами кубиты стали куда менее хрупкими – с ними удобнее работать.