Из чего удобно делать кубиты. Искусственные атомы для квантовых вычислений

Вероятно, вам много раз доводилось читать, что такое кубиты, какие частицы могут применяться в качестве кубитов, и как их использовать. Кубиты — это информационные единицы, аналоги битов, используемые в квантовых компьютерах. Важнейшее свойство кубита — это возможность находиться в суперпозиции вплоть до того момента, как с кубитом провзаимодействуют (будет совершена вычислительная операция). В таком случае, какова материальная основа кубитов, что может служить носителем такой квантовой суперпозиции и, следовательно, информации? В современных квантовых компьютерах в качестве кубитов используются фотоны, электроны, ионы, квантовые точки и нейтральные атомы. Возможно, нейтральные атомы — одна из наиболее перспективных опций, и об этом на Хабре уже писал уважаемый @FirstJohn в статье «Лучшими кубитами для квантовых вычислений могут быть нейтральные атомы», переведённой для блога компании FirstVDS. Но в этой статье мы пойдём ещё глубже и поговорим о широком спектре материальных носителей, которые могут служить для операций с кубитами.

Как создавать кубиты

Кубит (qubit) — это базовая информационная единица, применяемая для кодирования данных при квантовых вычислениях. Кубит аналогичен биту (двоичному разряду), используемому в классических компьютерах для кодирования информации в двоичном формате. Различия между битами и кубитами прослеживаются как на уровне информатики, так и на уровне физики, и первую картину хорошо удалось представить на Хабре уважаемому Михаилу Анатольевичу Ремневу @maremnev в статье «Что может квантовый компьютер уже сегодня. По фактам», а вторую – Вастрику в уже довольно старой публикации 2019 года «Квантовый Компьютер Как устроен? Как программировать? Уже?» в фирменном юмористическом стиле этого автора.  

Считается, что термин «кубит» придумал в 1993 году американский физик-теоретик Бенджамин Шумахер. По-видимому, он подобрал это название по созвучию с «кубитами» (cubit), упоминаемыми в Ветхом Завете в качестве единицы длины, которой пользовался Ной при конструировании своего ковчега. Ковчег имел 300 кубитов в длину, 50 кубитов в ширину и 30 кубитов в высоту. Шумерский и еврейский кубит составлял от 44,4 до 52,92 см, а древнеримский кубит – до 120 см.

Кубиты создаются путём манипуляции с квантовыми частицами и измерения их спина. В настоящее время квантовые частицы — мельчайшие единицы материи, которыми мы умеем управлять. Основными физическими носителями для современных кубитов являются фотоны, электроны, захваченные ионы, сверхпроводящие контуры и атомы. Кубиты применяются в криптографии, а также решении таких задач, которые легко распараллеливаются, и поэтому решаются на квантовых компьютерах несопоставимо быстрее, чем на классических.

Квантовые биты можно создавать разными способами. Главное свойство, общее для всех кубитов — такая единица должна пребывать в одном из двух чётко определяемых состояний, эти состояния должны подчиняться законам квантовой механики, а саму частицу должно быть легко переключать из одного состояния в другое. Наряду с этими свойствами, кубиты должны быть как можно мельче, чтобы сам квантовый компьютер оставался машиной реалистичных размеров. На чипе площадью 1 кв. см желательно умещать десятки миллионов кубитов (до 100 миллионов). Чтобы сравниться по частоте с классическими компьютерами, квантовый компьютер должен позволять переключать кубиты миллиарды раз в секунду.   

Рассмотрим электрон в качестве образца кубита. Чтобы работать с ним, нужно уметь не только в любой момент определять его спин, но и менять его. Считается, что наиболее удобно решать эту задачу при помощи квантовых точек.

Проще всего описать квантовую точку как шарообразную полость диаметром порядка 10 нанометров, заключённую в твёрдой оболочке. В этой сфере находится свободный электрон, не связанный ни с каким атомом. Сфера состоит из перемежающихся слоёв, состоящих из полупроводниковых материалов, например, из кремния и германия. Свободный электрон удерживается на своём месте при помощи внешних магнитных полей, а сама квантовая точка является сверхпроводящей, так как остужена примерно до 0,1 градуса выше абсолютного нуля. Именно в таких условиях спин электрона можно искусственно переключать, присвоив его направлениям значения 0 и 1.

Чтобы применять для обработки данных спин электрона, находящегося внутри квантовой точки, нужна не только сверхнизкая температура, но и удержание электрона в суперпозиции, когда его спин направлен одновременно вверх и вниз. Суть суперпозиции электрона (и кубита в более широком смысле) отлично изложена в статье «Квантовые компьютеры: без математики и философии» уважаемого @Zashibis. В настоящее время над продлением суперпозиции работают как передовые университеты (MIT), так и корпорации уровня Google и IBM. На момент подготовки этой статьи дольше всего удалось удержать в суперпозиции набор атомов иттербия-173; атомы продержались в суперпозиции более 1400 секунд, вернее, около 23 минут 20 секунд. Исследование было выполнено в Научно-техническом университете Китая под руководством Дзонг-Тао Лю. Но в работающем квантовом компьютере по состоянию на июль 2025 года суперпозиция кубитов продлилась в течение около 1 миллисекунды (работа выполнена в университете Аалто в Финляндии). За такое время переключить кубиты можно около миллиона раз, что действительно очень много. При этом медианное значение за все проделанные в рамках этого опыта попытки составило 0,6 миллисекунды. Внутри квантовой точки может находиться не один, а много электронов (как показано на иллюстрации выше), благодаря чему квантовое состояние этих электронов можно запутать, тем самым повысив результативность вычислений в единицу времени. Тем не менее, квантовые точки — исследовательский и опытный носитель кубитов. Сейчас им подыскивают альтернативы, в качестве которых могут применяться как нейтральные атомы, так и искусственные их аналоги.

Поиск эффективных полупроводниковых оболочек для квантовых точек продолжается. Основные материалы, используемые в таком качестве — InAs (арсенид индия), InSb (антимонид индия), PbSe (селенид свинца), PbS (сульфид свинца), InP, ZnSe (фосфид индия — селенид цинка), ZnTe, CdS (теллурид цинка — сульфид кадмия), CdSe (селенид кадмия), ZnS, HgTe (сульфид цинка — теллурид ртути), HgSe (селенид ртути), ZnO (оксид цинка), TiO₂ (оксид титана). Таблица с более подробной детализацией квантовых точек с экскурсом в их применение в фотонике приводится на Хабре в статье уважаемого @DAN_SEA «Квантовые точки и их получение».

При этом, наряду с подбором подходящих соединений и попытками реализовать квантовые точки на графене некоторые исследовательские группы пробуют спроектировать носители для кубитов с нуля. Речь идёт о сборе кристаллов атом за атомом, когда на металлическую кристаллическую решётку навешиваются ионы или молекулы. Цель — увеличить длительность когерентности (сохранения суперпозиции) кубитов в среде. При таком подходе квантовые состояния удаётся контролировать с детализацией вплоть до отдельной частицы.

Другая решаемая при этом задача — ограничить спин атомов в кристаллической решётке, чтобы было проще отслеживать и переключать спин электронов. Атомы, будучи квантовыми частицами, имеют спин, как и электроны, но их спин создаёт лишь шум и мешает работе квантового компьютера. Кроме того, может неожиданно наступать декогеренция. В 2015 году команда под руководством Данны Фридман из Северо-Западного университета и её коллеги из Аргоннской национальной лаборатории впервые на целую миллисекунду удержали в когерентном состоянии кристалл из ионов с атомами ванадия, имеющий химическую формулу [V(C₈S₈)₃] ^2?. Это был один из многих образцов настраиваемого молекулярного кубита, который, однако, впервые смог сравниться по длительности когеренции с кубитами, создаваемыми по противоположному принципу — из дефектов в алмазной решётке.   

Кубиты на основе дефектов в кристаллической решётке

Дефект — это участок в кристаллической решётке, где не хватает атома, либо находящийся там атом смещён. Это естественная полость, где помещается и удерживается электрон. Из-за наличия дефектов в кристалле рисунок движения электронов в материале также меняется. На основе таких дефектов также можно делать кубиты и, в отличие от сверхпроводящих кубитов, они не должны постоянно находиться при температурах на доли градусов выше абсолютного нуля. На вышеприведённом рисунке «NV» означает «nitrogen vacancy». Это точка, где в кристалле, подобном алмазу, на месте атома углерода установлен атом азота. Аналогичные вставки возможны не только в алмазе, но и в более дешёвых нитриде алюминия и карбиде кремния. В 2016 году исследовательская группа под руководством Джулии Галли из университета Чикаго впервые получила кубит на основе нитрида алюминия, обнаружив при этом, что в кристалле присутствуют нужные вакансии естественного происхождения, поэтому специально создавать их не требуется — достаточно заполнить кубитами. Карбид кремния — аналогичное соединение, которое легче интегрируется с традиционной архитектурой кремниевых чипов. Кроме того, такие кубиты можно производить в промышленных масштабах.

Искусственные аналоги атомов

Здесь мы приходим к следующему выводу: как электроны, так и атомы (любого химического элемента) не позволяют одновременно оперировать кубитами как вычислительными единицами, координировать их для ввода/вывода и тем временем удерживать в суперпозиции дольше 1 миллисекунды. Поэтому в последние 9-10 лет ведётся поиск искусственных структур, которые на квантовом уровне сближались бы по свойствам с элементарными частицами и проявляли квантовые свойства. Например, в 2020 году команда под руководством Эндрю Дзурака (Andrew Dzurak) из Университета Нового Южного Уэльса научилась помещать нейтральный атом в состояние суперпозиции, а затем надстраивать над ним орбиталь с лишним электроном, превращая атом в ион. Этот электрон имеет спин, и поэтому вся структура может использоваться в качестве кубита, но получается более стабильной, чем квантовая точка.   

Дзурак обнаружил такую возможность примерно двумя годами ранее, когда, изучая вакансии в алмазных кристаллах, попробовал использовать в качестве кубитов не электроны, а дырки. Как показано в этом более свежем (2023 год) исследовании под руководством Максима Миронова из университета Уорвик в Великобритании, дырки даже более удобны, чем электроны при передаче электрического тока в полупроводниках. Дырки (свободные участки в кристаллической решётке, каждый из которых может занять электрон) используются во многих транзисторах, а квантовая точка, в сущности, и представляет собой наноразмерный транзистор. Дырка, как и электрон, имеет спин, поэтому может использоваться в качестве кубита. Группа Дзурака в 2018 году показала, что, хотя дырки остаются в когерентном состоянии не дольше электронов, их спины переключаются быстрее, чем у электронов. Соответственно, в качестве «искусственного атома» для квантовых вычислений может использоваться комплекс из запутанных электронов и дырок, встроенный в кристалл наподобие алмаза, а также взаимодействующий с пропускаемыми через него фотонами (светом), из которых мы уже также умеем делать кубиты.    

Гибридные архитектуры

Согласно современным представлениям, все эти варианты кубитов могут укладываться в общую архитектуру и, возможно, позволят создать полноценный квантовый компьютер, который выполнял бы не только отдельные вычисления, но и программируемые последовательности команд. Эта архитектура представлена на иллюстрации, взятой из статьи исследователей Мичиганского университета и японского института RIKEN, опубликованной в 2011 году. Гибридная архитектура позволяет сочетать достоинства различных кубитов: длительность сохранения когерентности у атомов (напомню, выше я писал о максимальной когерентности, достигнутой в группе из атомов иттербия, удержавшихся в суперпозиции более 23 минут), лёгкость переключения спина у электронов и дырок, а также лёгкость запутывания спина сразу у десятков атомов в кристаллической решётке. Таким образом, созданы все условия, чтобы нейтральные атомы служили «квантовым накопителем» информации, искусственные атомы (квантовые точки) — вычислительными единицами, а фотоны обеспечивали ввод/вывод информации при условии, что весь кристалл будет прозрачным, либо фотоны будут использоваться в разных спектрах, например, видимом и рентгеновском.