Создан самый чистый в мире кремний — это прямой путь к масштабируемым квантовым компьютерам

Более 100 лет назад ученые открыли ядро в атомах, что ознаменовало собой рождение ядерной физики. В наши дни история повторяется, на сей раз — в области квантовых вычислений. Результаты исследования, опубликованные в журнале Communications Materials, могут определить будущее квантовых вычислений.

Фактически физики смогли разработать критически важный «кирпичик», необходимый для создания квантового компьютера на основе кремния. Это важный шаг к тому, чтобы сделать эту технологию осуществимой. Она может дать человечеству возможность обрабатывать данные в таких масштабах, что мы сможем находить решения сложных проблем, таких как устранение последствий изменения климата.

Одной из самых больших проблем в разработке квантовых компьютеров является то, что кубиты — строительные блоки квантовых вычислений — очень чувствительны и требуют стабильной среды для сохранения содержащейся в них информации. Даже незначительные изменения в их среде, включая колебания температуры, могут вызвать ошибки компьютера.

Другой проблемой является их масштаб — речь идет и про физический размер, и про вычислительную мощность. Десять кубитов имеют ту же вычислительную мощность, что и 1024 бита в обычном компьютере, и потенциально могут занимать гораздо меньший объем. Ученые полагают, что для полностью работоспособного квантового компьютера требуется около миллиона кубитов, что обеспечивает возможности, недостижимые для любого классического компьютера.

В результате нового исследования физики получили самый чистый в мире кремний, а он открывает путь к созданию миллиона кубитов, которые можно изготовить размером с булавочную головку. Изображение: The University of Manchester

Кремний является базовым материалом в классических вычислениях благодаря своим полупроводниковым свойствам, и исследователи полагают, что он может стать ответом на масштабируемые квантовые компьютеры. Ученые потратили последние 60 лет на изучение того, как проектировать кремний, чтобы заставить его работать наилучшим образом, но в квантовых вычислениях в этом отношении есть свои проблемы.

Природный кремний состоит из трех атомов разной массы (называемых изотопами) – кремния 28, 29 и 30. Однако Si-29, составляющий около 5% кремния, вызывает эффект «ядерного переворота», в результате чего кубит теряет информацию.

В ходе нового исследования был разработан способ переработки кремния с удалением атомов кремния 29 и 30, что делает его идеальным материалом для создания квантовых компьютеров в больших масштабах и с высокой точностью.

Большое преимущество кремниевых квантовых вычислений заключается в том, что те же самые методы, которые используются для производства электронных чипов — в настоящее время в обычных компьютерах, состоящих из миллиардов транзисторов — могут быть использованы для создания кубитов для кремниевых квантовых устройств. Возможность создания высококачественных кремниевых кубитов до сих пор частично ограничивалась чистотой исходного кремниевого материала. Чистота, которую ученые продемонстрировали в ходе эксперимента, решает эту проблему.

Новая возможность открывает путь к созданию масштабируемых квантовых устройств с непревзойденной производительностью и возможностями и обещает преобразовать технологии, в том числе в области искусственного интеллекта, безопасности данных и коммуникаций, разработки вакцин и лекарств, а также использования энергии, логистики и производства.

Теперь, когда стало возможным производить чистый кремний-28, следующим шагом исследователей станет демонстрация того, что возможно поддерживать квантовую когерентность для многих кубитов одновременно. Надежный квантовый компьютер всего с 30 кубитами превзойдет мощность современных суперкомпьютеров для некоторых сфер.