Спином можно управлять. Случай на миллиард кубитов.

Иллюстрация, показывающая, как можно управлять несколькими кубитами с помощью нового процесса «внутренней спин-орбитальной EDSR». Источник.

Австралийские инженеры сделали случайное открытие, которое может кардинально изменить информационные технологии. Они обнаружили новый способ управления отдельными электронами, расположенными в квантовых точках, управляющих так называемыми логическими вентилями вычислений в квантовом чипе. Да, успешные попытки управления вектором спина были и раньше, но новый обладает целым рядом преимуществ: он точен, мал, прост и требует меньше деталей. Этот набор достоинств позволяет нам говорить о перспективах создания по-настоящему крупномасштабных кремниевых квантовых компьютеров.

Авторами открытия стали инженеры стартапа в области квантовых вычислений Diraq и Университета Нового Южного Уэльса в Сиднее. 

«Это был совершенно новый эффект, которого мы никогда раньше не видели и который поначалу не совсем понимали, ‒ сказал ведущий автор работы доктор Уилл Гилберт, инженер по квантовым процессорам в Diraq, дочерней компании UNSW, базирующейся в сиднейском кампусе. ‒ Но быстро стало ясно, что это новый мощный способ управления спинами в квантовой точке. И это было очень захватывающе».

А теперь по порядку.

Логические элементы (они же логические вентили) являются основным строительным блоком всех вычислений; они позволяют «битам» ‒ или двоичным (0 и 1) единицам информации ‒ работать вместе для обработки данных. Однако квантовому биту (он же кубит) свойственно пребывание в обоих этих состояниях одновременно. Это явление, названное «суперпозицией», позволяет использовать множество странных для обывателя вычислительных стратегий. Одни из них, например, увеличивают скорость расчётов экспоненциально (в зависимости от значений), другие работают одновременно. Оба этих решения выходят за рамки возможностей вычислительной архитектуры классических компьютеров, построенных на базе миллионов мельчайших транзисторов. 

Кубиты же состоят из «квантовых точек», тоже (как и транзисторы в обычных процессорах) крошечных наноустройств. Однако их отличие в том, что они влияют не на поток электронов, а всего на один или несколько. Это грубое приближение, но оно показывает, насколько необходим точный контроль над электронами для выполнения таких вычислений.

Использование электрических, а не магнитных полей

Экспериментируя с различными геометрическими комбинациями устройств размером всего в миллиардные доли метра, которые управляют квантовыми точками, а также с различными типами миниатюрных магнитов и антенн, управляющих их работой, доктор Туомо Тантту, инженер-измеритель в Diraq, наткнулся на странный эффект.

«Я пытался очень точно управлять двухкубитным вентилем, перебирая множество различных устройств, немного отличающихся геометрией, разных стеков материалов и разных методов управления, ‒ вспоминает учёный, ‒ Потом появился этот странный пик. Похоже, скорость вращения одного из кубитов увеличилась, чего я никогда не видел за четыре года проведения этих экспериментов».

Как позже стало понятно, он обнаружил новый способ манипулирования квантовым состоянием одного кубита с помощью электрических, а не магнитных полей, которые они использовали ранее. Это открытие было сделано ещё в 2020 году, и всё это время инженеры совершенствовали свою технологию, которая сначала была ещё одним, а теперь стала чуть ли не главным инструментом в арсенале реализации амбиций по созданию чипа в миллиард кубитов.

«Это новый способ манипулирования кубитами, и его создание менее громоздко ‒ вам не нужно изготавливать кобальтовые микромагниты или антенну рядом с кубитами, чтобы создать эффект управления, ‒ поясняет Гилберт. ‒ Это устраняет необходимость размещения дополнительных конструкций вокруг каждого вентиля. Так меньше беспорядка».

Такая возможность управления отдельными электронами без помехи их близлежащим собратьям и создаёт перспективу колоссального роста вычислительных мощностей; а им-то и интересна обработка квантовой информации в кремнии. Иначе это можно было бы сравнить с неорганизованной толпой сотрудников, занятых каждый только своим делом, но беспрерывно мешающих друг другу. В такой компании о хоть каких-нибудь результатах пришлось бы только мечтать.

Существует два установленных метода: «электронно-спиновый резонанс» (ESR) с использованием встроенной микроволновой антенны; и «электрический дипольный спиновый резонанс» (EDSR), который основан на индуцированном градиентном магнитном поле. Так вот новому методу авторы дали название «внутренний спин-орбитальный EDSR».

«Обычно мы разрабатываем наши микроволновые антенны для создания чисто магнитных полей, ‒ говорит доктор Тантту. ‒ Но эта конкретная конструкция антенны генерировала больше электрического поля, чем мы хотели, и это оказалось удачей, потому что мы обнаружили новый эффект, который мы можем использовать для манипулирования кубитами. Это интуитивная удача».

Открытие приближает кремниевые квантовые вычисления

«Это жемчужина нового механизма, которая только добавляет к сокровищнице запатентованных технологий, которые мы разработали за последние 20 лет исследований», ‒ делится профессор Эндрю Джурак, генеральный директор и основатель Diraq, профессор квантовой инженерии в Университете Нового Южного Уэльса, который в 2015 году возглавил команду, создавшую первый квантовый логический вентиль в кремнии.

Diraq стремится переопределить масштабируемые квантовые вычисления, создав миллиарды кубитов на одном чипе, по сравнению с сотнями кубитов, возможных сегодня. 20 лет исследований и разработок по девяти семействам патентов с опорой на существующие процессы производства современных полупроводниковых компонентов, известных как CMOS, дают учёным все основания надеяться на скорое воплощение мечты о чипе на миллиард кубитов и дешевизну выхода технологии на рынок. 

«Он <метод> основан на нашей работе, направленной на то, чтобы сделать реальностью квантовые вычисления в кремнии, базирующиеся, по сути, на той же технологии полупроводниковых компонентов, что и существующие компьютерные чипы, а не на экзотических материалах, ‒ поясняет Джурак. ‒ Поскольку он основан на той же технологии CMOS, что и современная компьютерная индустрия, наш подход упростит и ускорит масштабирование для коммерческого производства и достигнет нашей цели по производству миллиардов кубитов на одном чипе».

CMOS (или дополнительный металло-оксидный полупроводник) ‒ это лежащий в основе современных компьютеров производственный процесс. Он используется для изготовления всех видов компонентов интегральных схем, включая микропроцессоры, микроконтроллеры, микросхемы памяти и другие цифровые логические схемы, а также аналоговые схемы, такие как датчики изображения и преобразователи данных.

Создание квантового компьютера было названо «космической гонкой 21-го века» — трудной и амбициозной задачей, которая может предоставить революционные инструменты для решения невозможных в противном случае вычислений, таких как разработка сложных лекарств и передовых материалов или быстрый поиск массивных, несортированных баз данных. Компания-разработчик нового метода управления спином отдельного электрона стремится стать поставщиком комплексных квантовых вычислений, создавая квантовое оборудование и программное обеспечение в виде полноценного облачного сервиса с полным стеком.  

«Мы часто думаем о высадке на Луну как о величайшем технологическом чуде человечества, ‒ размышляет Джурак. ‒ Но правда в том, что сегодняшние чипы CMOS с миллиардами операционных устройств, объединённых вместе, чтобы работать как симфония, и которые вы носите в кармане ‒ это поразительное техническое достижение, которое произвело революцию в современной жизни. Квантовые вычисления будут не менее удивительными».

АРМК, по материалам Diraq.