|
Левитирующие электроны - кандидаты на роль кубитов
|
|
|
|
Новый подход к квантовым вычислениям может устранить одно из самых больших препятствий в этой области – масштабируемость. Исследователи из чикагского стартапа EeroQ продемонстрировали систему, которая улавливает отдельные электроны, плавающие на поверхности жидкого гелия, образуя основу для высокостабильного и легко изготавливаемого кубита.
|
|
|
|
Самая большая проблема квантовых вычислений заключается уже не в том, чтобы доказать работоспособность концепции, а в том, чтобы понять, как сделать технологию практичной в масштабе. Современные архитектуры кубитов, будь то на основе сверхпроводящих контуров или захваченных ионов, чувствительны, дороги и сложны в массовом производстве. Многим из них требуется сверххолодная среда, близкая к абсолютному нулю. Некоторым системам также требуются километры управляющих проводов для управления всего несколькими сотнями кубитов. Подход EeroQ может устранить некоторые из этих препятствий, опираясь на совершенные полупроводниковые процессы и среду, которая естественным образом обеспечивает необходимую стабильность.
|
|
|
|
"Если вы поднесете заряженную частицу, например электрон, к поверхности, то, поскольку гелий является диэлектриком, это создаст небольшой заряд изображения под поверхностью жидкости", - сказал Йоханнес Полланен, главный научный сотрудник EeroQ.
|
|
|
|
|
|
|
Необычные свойства жидкого гелия делают эту установку еще более привлекательной. При криогенных температурах элемент становится сверхтекучим, протекая по микроскопическим каналам без трения. В результате гелий может плавно перемещаться по кристаллу, на котором вытравлены узкие желобки, удерживающие и транспортирующие электроны. Используя вольфрамовую нить накала, исследователи создали резервуар с электронами на поверхности гелия и направили их в электромагнитные "ловушки" на поверхности чипа. Регулируя энергетические барьеры каждой ловушки, они могли бы заполнить ее десятками электронов, а затем постепенно высвобождать их, пока не останется только один.
|
|
|
|
Концепция, лежащая в основе системы EeroQ, была разработана более полувека назад, когда первые эксперименты показали, что электроны могут парить над жидким гелием, а не погружаться в него. Когда отрицательно заряженный электрон приближается к поверхности жидкости, гелий создает под ним слабый положительный "заряд изображения". Электрон притягивается к этому изображению, но не может проникнуть в жидкость, оставляя его подвешенным прямо над поверхностью. В результате получается стабильный изолированный электрон, парящий в почти идеальном вакууме.
|
|
|
|
Обнаружение и контроль этого единственного электрона - вот что превращает физику в кубит. Электроды, расположенные по бокам ловушки, образуют резонатор, частота которого меняется в зависимости от количества присутствующих электронов. Измерение сдвига подтвердило, что исследователи могут изолировать одиночный электрон на неопределенный срок. Следующим шагом является кодирование информации в виде спина электрона – свойства, определяющего его ориентацию в магнитном поле. Исследователи уже опробовали аналогичные методы на квантовых точках и примесях кремния, но эти материалы создают шумы и помехи.
|
|
|
|
"Спиновая когерентность электрона будет фантастической", - сказал Полланен. "Она не может быть хуже, чем в кремнии".
|
|
|
|
В конструкции EeroQ также используются те же КМОП-технологии, что и при создании обычных чипов. Инженеры могут изготавливать ловушки, электроды и схемы управления, используя относительно совершенные технологии, а не ультрасовременную нанолитографию. По словам Полланена, это позволит размещать массивы, содержащие миллионы кубитов, на одной плате, сохраняя при этом достаточно компактную схему управления, чтобы обеспечить цифровую адресацию отдельных устройств. Такое сочетание масштабируемости и простоты отличает конструкцию от более сложных систем с кубитами.
|
|
|
|
Технология остается непроверенной в практическом применении, и предстоит еще большая работа по демонстрации функциональных кубитов, работы вентилей и крупномасштабной интеграции. В конечном итоге компания планирует закодировать каждый кубит, используя два электрона с противоположными спинами, чтобы уменьшить декогеренцию, вызванную неоднородностями магнитного поля.
|
|
|
|
"Если мы будем перемещать электроны, они будут испытывать некоторые неоднородные магнитные поля от магнита, которые нам нужны для квантования спина", - сказал Полланен в интервью Ars Technica. "Но если вы создадите кубит из двух электронов с противоположным спином, любая декогеренция, которая произойдет с одним, будет отменена в другом".
|
|
|
|
Затем инженеры могут перемещать электроны по чипу для выполнения логических операций и взаимодействия, необходимого для квантовых вычислений. Более ранние исследования уже показали, что один электрон может перемещаться на значительные расстояния (более километра) без потери стабильности, что позволяет предположить, что мобильная архитектура EeroQ может быть реализована.
|
|
|
|
Источник
|
