В последние годы квантовые компьютеры стали одними из самых ожидаемых достижений науки, способных задать совершенно новые стандарты для вычислительных методов. Ключевой элемент таких устройств — кубит, или квантовый бит. В отличие от классических битов, которые могут принимать значение только «0» или «1», кубиты способны находиться сразу в нескольких состояниях, благодаря чему открывается доступ к невероятным вычислительным возможностям. Это создает предпосылки для настоящего технологического прорыва в будущей цифровой эпохе.
Проблема баланса: между скоростью и стабильностью
Ученые многих стран заняты поиском идеального кубита, используя широкий спектр материалов и технологий. Чаще всего перед исследователями стоит выбор: либо добиться высокой скорости работы, либо достичь длительного состояния когерентности — того самого «квантового» состояния, которое позволяет производить уникальные вычисления. До недавнего времени эти два свойства было крайне сложно совместить в одном устройстве.
Однако команда под руководством Доминика Цумбюля совершила выдающийся шаг вперед, объединив высокую скорость управления с длительным временем когерентности, уверенно предложив новое решение для мира квантовых вычислений.
Уникальный кубит из германиевой нанопроволоки
Исследователи сконструировали кубит на основе тончайшей нанопроволоки из германия, поверх которой нанесен слой кремния. Ключ к функционалу такого устройства заключается в удалении электрона с определенного энергетического уровня этой структуры, что приводит к образованию «дырки» — своеобразной квазичастицы с положительным электрическим зарядом. Положение самой дырки на энергетической шкале — вверху или внизу — становится своеобразной «кнопкой» управления кубитом.
Именно свойства этих дырок позволяют динамично контролировать состояние кубита, а также отслеживать, на каком энергетическом уровне произошла его активация. Такой подход открывает возможности комбинирования уникальных физических эффектов для достижения оптимального баланса в работе квантовых устройств.
Секрет спин-орбитального взаимодействия
Особое внимание ученые уделили механизму спин-орбитального взаимодействия. При движении заряженной частицы — например, дырки, вокруг нее возникает микромагнитное поле, которое взаимодействует со спином самой частицы. В полупроводниках с дырками этот эффект отличается особой силой и оказывается чувствителен к приложенному электрическому напряжению.
Используя эту теорию, исследователи научились задавать и регулировать параметры возникновения дырок с высокой точностью. Изменение напряжения позволяет «переносить» дырку между различными энергетическими уровнями или же создавать их в сложных суперпозициях.
Интересная особенность проявилась при определенном соотношении: возникающее «плато» делает кубит малочувствительным к внешним шумам — а это основная причина разрушения квантовых состояний. В результате удалось значительно увеличить время когерентности, одновременно повысив скорость работы кубита.
Горячие кубиты: шаг к практическим квантовым компьютерам
Прорывным стало и то, что новый кубит способен стабильно работать при «высоких» для квантовой техники температурах — около 1,5 Кельвина. Напомним: обычно квантовые устройства требуют экстремально низких температур, близких к абсолютному нулю, и использования редких и дорогих изотопов гелия. В обновленной системе такая необходимость отпадает — технология становится гораздо более доступной и энергоэффективной.
Мигель Х. Карбальидо, принимавший активное участие в исследовании, подчеркивает: время когерентности нового кубита удалось увеличить примерно в четыре раза, а скорость управления — втрое. Таким образом, открываются реалистичные перспективы масштабирования подобной архитектуры для построения сложных квантовых вычислительных систем.
Будущее квантовых технологий: от нанопроволок к новым материалам
На сегодняшний день технология реализована в нанопроволоках, где дырки могут перемещаться только в одном пространственном направлении. Однако ученые уверенны, что аналогичные приемы можно будет переносить и на двумерные полупроводники, а в дальнейшем — создавать многообразие новых кубитов на иных физических принципах.
Это открывает богатые горизонты для развития квантовых процессоров, позволяя двигаться к созданию масштабируемых, устойчивых и быстрых вычислительных устройств будущего. Прорыв, совершенный командой Доминика Цумбюля и Мигеля Х. Карбальидо, вселяет оптимизм в скорое наступление новой эры вычислительных технологий.
Оптимизм и новые возможности
Результаты работы исследовательской группы уже сегодня вызывают интерес во всем научном мире. Возможность строить квантовые компьютеры, которые требуют меньше энергии, просты и дешевы в эксплуатации, выводит квантовые технологии на совершенно иной уровень — еще один реальный шаг к их внедрению в практику и к решению сложнейших задач, недостижимых для классических вычислительных систем.
Путь, открытый Домиником Цумбюлем, Мигелем Х. Карбальидо и их коллегами, обещает стать отправной точкой для целого класса инноваций в области квантовых вычислений, даря веру в светлое высокотехнологичное завтра.
