|
Квантовые компьютеры будущего
|
|
|
|
Квантовые компьютеры обладают потенциалом для решения сложных проблем в области здравоохранения, разработки лекарств и искусственного интеллекта в миллионы раз быстрее, чем некоторые из самых быстрых суперкомпьютеров в мире. Сеть квантовых компьютеров могла бы продвигать эти открытия еще быстрее. Но прежде чем это произойдет, компьютерной индустрии понадобится надежный способ объединения миллиардов кубитов — или квантовых битов — с атомной точностью. Однако подключение кубитов было сложной задачей для научного сообщества. Некоторые методы формируют кубиты, помещая цельную кремниевую пластину в печь для быстрого отжига при очень высоких температурах. С помощью этих методов кубиты случайным образом формируются из дефектов (также известных как центры окраски или квантовые излучатели) в кристаллической решетке кремния. И без точного знания расположения кубитов в материале будет сложно создать квантовый компьютер из связанных кубитов.
|
|
|
|
Но теперь, возможно, скоро станет возможным подключить кубиты. Исследовательская группа, возглавляемая Национальной лабораторией Лоуренса Беркли (Berkeley Lab), заявляет, что они первыми использовали фемтосекундный лазер для создания и "аннигиляции" кубитов по требованию и с высокой точностью путем легирования кремния водородом. Это изобретение может позволить квантовым компьютерам, использующим программируемые оптические кубиты или "кубиты со спин-фотонами", соединять квантовые узлы в удаленной сети. Это также может способствовать созданию квантового Интернета, который не только станет более безопасным, но и сможет передавать больше данных, чем современные информационные технологии по оптоволокну.
|
|
|
"Чтобы создать масштабируемую квантовую архитектуру или сеть, нам нужны кубиты, которые могут надежно формироваться по требованию в нужных местах, чтобы мы знали, где находится кубит в материале. И именно поэтому наш подход имеет решающее значение", - сказала Каушалия Джурия, научный сотрудник отдела ускорительных технологий и прикладной физики (ATAP) Лаборатории Беркли. Она является первым автором нового исследования, описывающего этот метод в журнале Nature Communications. "Потому что, как только мы узнаем, где находится конкретный кубит, мы сможем определить, как соединить этот кубит с другими компонентами системы и создать квантовую сеть". "Это может открыть для промышленности потенциально новый путь решения проблем, связанных с изготовлением кубитов и контролем качества", - сказал главный исследователь Томас Шенкель, руководитель программы Fusion Science & Ion Beam Technology в подразделении ATAP лаборатории Беркли. В июне его группа примет у себя первую группу студентов из Гавайского университета, где студенты погрузятся в науку и технологии color center/qubit.
|
|
|
|
Новый метод использует газовую среду для формирования программируемых дефектов, называемых "центрами окраски" в кремнии. Эти центры окраски являются кандидатами на создание специальных телекоммуникационных кубитов или "кубитов на спиновых фотонах". В этом методе также используется сверхбыстрый фемтосекундный лазер для отжига кремния с предельной точностью в тех местах, где эти кубиты должны точно сформироваться. Фемтосекундный лазер излучает очень короткие импульсы энергии в течение квадриллионной доли секунды на сфокусированную цель размером с пылинку. Кубиты со спиновыми фотонами излучают фотоны, которые могут переносить информацию, закодированную в спинах электронов, на большие расстояния — идеальные свойства для поддержки защищенной квантовой сети. Кубиты - это мельчайшие компоненты квантовой информационной системы, которая кодирует данные в трех различных состояниях: 1, 0 или суперпозиции, которая представляет собой все, что находится между 1 и 0.
|
|
|
|
С помощью Бубакара Канте, научного сотрудника отдела материаловедения Лаборатории Беркли и профессора электротехники и компьютерных наук (EECS) Калифорнийского университета в Беркли, команда использовала детектор ближнего инфракрасного диапазона, чтобы охарактеризовать результирующие цветовые центры путем зондирования их оптических сигналов (фотолюминесценции). То, что они обнаружили, удивило их: квантовый излучатель, называемый Ci-центром. Благодаря своей простой структуре, стабильности при комнатной температуре и многообещающим спиновым свойствам, Ci-центр является интересным кандидатом на роль спинового фотонного кубита, который испускает фотоны в телекоммуникационном диапазоне. "Мы знали из литературы, что Ci может быть сформирован в кремнии, но мы не ожидали, что с помощью нашего подхода мы действительно сможем создать этот новый спин-фотонный кубит-кандидат", - сказал Джурия.
|
|
|
|
Исследователи выяснили, что обработка кремния лазером с низкой фемтосекундной интенсивностью в присутствии водорода помогла создать центры окраски Ci. Дальнейшие эксперименты показали, что увеличение интенсивности лазерного излучения может увеличить подвижность водорода, который пассивирует нежелательные центры окрашивания, не повреждая решетку кремния, пояснил Шенкель. Теоретический анализ, проведенный Лианг Танем (Liang Tan), штатным научным сотрудником молекулярного литейного цеха лаборатории Беркли, показывает, что яркость цветового центра Ci увеличивается на несколько порядков в присутствии водорода, что подтверждает их наблюдения в ходе лабораторных экспериментов. "Фемтосекундные лазерные импульсы могут выбрасывать атомы водорода или возвращать их обратно, позволяя программируемо формировать нужные оптические кубиты в точных местах", - сказал Джурия.
|
|
|
|
Команда планирует использовать эту технологию для интеграции оптических кубитов в квантовые устройства, такие как отражающие полости и волноводы, а также для обнаружения новых кандидатов в спиновые фотонные кубиты со свойствами, оптимизированными для выбранных применений. "Теперь, когда мы можем надежно создавать цветовые центры, мы хотим заставить разные кубиты взаимодействовать друг с другом — что является воплощением квантовой запутанности — и посмотреть, какие из них работают лучше всего. Это только начало", - сказал Джурия. "Возможность формировать кубиты в программируемых местах из такого материала, как кремний, доступного в больших масштабах, является захватывающим шагом на пути к практическим квантовым сетям и вычислениям", - сказал Кэмерон Геддес, директор подразделения ATAP.
|
|
|
|
Источник
|
